KR20200133265A

KR20200133265A - 복굴절 제어가 통합된 홀로그래픽 도파관 및 이를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20200133265A
Application number: KR1020207029776A
Authority: KR
Inventors: 조나단 데이비드 월던; 밀란 맘실로 포포비치; 알라스테어 존 그랜트
Original assignee: 디지렌즈 인코포레이티드.
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2020-11-26
Also published as: CN112088332A; US11150408B2; JP2021515917A; US10690851B2; US20220137294A1; EP3765897A4; US20200319404A1; WO2019178614A1; EP3765897B1; EP3765897A1; US11726261B2; US20190285796A1

Abstract

본 발명에 따른 다수의 실시예들은 복굴절 제어를 구현하는 도파관들에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 도파관은 복굴절 격자 층 및 복굴절 제어 층을 포함한다. 추가 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 컴팩트하고 효과적이다. 이러한 구조들은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 홀로그래픽 도파관들에서 편광 관련 손실들을 보상하는 것; 브래그 격자들에 기초하여 도파관들에서 3-차원 LC 디렉터 정렬을 제공하는 것; 및 도파관으로부터의 출력을 균질화하기 위해 각/스펙트럼 대역폭을 공간적으로 변화시키는 것을 포함하는 다양한 애플리케이션들에 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 편광 보상을 갖는 편광-유지, 광각, 및 고-반사 도파관 클래딩이 복굴절 격자를 위해 구현된다. 몇몇 실시예들에서, 1/4 파 또는 반파 지연을 제공하기 위한 얇은 편광 제어 층이 구현된다.

Description

복굴절 제어가 통합된 홀로그래픽 도파관 및 이를 제조하는 방법

본 개시내용은 광 도파관들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 복굴절 격자들을 사용하는 도파관 디스플레이들에 관한 것이다.

도파관들은 파(wave)들을 한정하고 안내하는 능력을 갖는 구조들(즉, 파들이 전파될 수 있는 공간 영역을 제한함)로 지칭될 수 있다. 하나의 하위 부류는, 전자기파들(통상적으로 가시 스펙트럼내의 전자기파들)을 안내할 수 있는 구조들인 광학 도파관들을 포함한다. 도파관 구조들은 다수의 상이한 메커니즘들을 사용하여 파들의 전파 경로를 제어하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 평면형 도파관들은, 회절 격자들을 활용하여 입사 광을 도파관 구조 내로 회절시키고 커플링시켜, 인-커플링된 광(in-coupled light)이 내부 전반사("TIR: total internal reflection")를 통해 평면형 구조 내에서 이동하게 진행할 수 있도록 설계될 수 있다.

도파관들의 제조는, 도파관들 내에서의 홀로그래픽 광학 엘리먼트들의 기록을 허용하는 재료 계(system)들의 사용을 포함할 수 있다. 이러한 재료의 한 부류는, 광중합성 모노머들 및 액정들을 보유하는 혼합물들인 폴리머 분산형 액정("PDLC: polymer dispersed liquid crystal") 혼합물들을 포함한다. 이러한 혼합물들의 추가 하위 부류는 홀로그래픽 폴리머 분산형 액정("HPDLC: holographic polymer dispersed liquid crystal") 혼합물들을 포함한다. 볼륨 위상 격자(volume phase grating)들과 같은 홀로그래픽 광학 엘리먼트들은 두 개의 상호 간섭성 레이저 빔들로 재료를 조명함으로써 그러한 액체 혼합물에 기록될 수 있다. 기록 프로세스 동안, 모노머들은 중합되고 혼합물은 광중합-유도 상 분리(photopolymerization-induced phase separation)를 거쳐, 클리어 폴리머(clear polymer)의 영역들로 산재된, 액정 마이크로-액적들에 의해 밀집된(densely populated) 영역들이 생성된다. 교번하는 액정-풍부 영역 및 액정-고갈 영역은 격자의 프린지 평면들을 형성한다.

위에서 설명한 것과 같은 도파관 광학기(waveguide optics)는 다양한 디스플레이 및 센서 애플리케이션들을 위해 고려될 수 있다. 다수의 애플리케이션들에서, 여러 광학 기능들을 인코딩하는 하나 이상의 격자 층들을 보유하는 도파관들이 다양한 도파관 아키텍처들 및 재료 계들을 사용하여 실현되어, 증강 현실("AR: augmented reality") 및 가상 현실("VR: virtual reality")을 위한 근안(near-eye) 디스플레이들, 항공 및 도로 수송용의 컴팩트한 헤드-업 디스플레이("HUD: heads-up display")들, 및 생체인식 및 레이저 레이더("LIDAR: laser radar") 애플리케이션들용 센서들에서의 새로운 혁신들을 가능하게 할 수 있다.

다음은 본 발명의 광학 디스플레이 및 정보를 디스플레이하기 위한 방법들과 관련된 다양한 개념들 및 이들의 실시예들의 보다 상세한 설명들이다. 앞서 소개되고 하기에서 상세히 논의되는 다양한 개념들은, 개시되는 개념들이 임의의 특정 구현 방식으로 제한되는 것이 아니기 때문에, 임의의 다양한 방식들로 구현될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 특정 구현들 및 애플리케이션들의 예들은 주로 예시 목적을 위해 제공된다. 본 발명의 보다 완전한 이해는 첨부된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명을 고려함으로써 얻어질 수 있으며, 여기서 동일한 색인 번호들은 동일한 부분들을 나타낸다. 명확성을 위해서, 본 발명과 관련된 기술 분야들에서 알려져 있는 기술 자료에 관한 세부사항들은 상세히 설명되지 않았다.

일 실시예는, 적어도 하나의 도파관 기판; 적어도 하나의 복굴절 격자; 적어도 하나의 복굴절 제어 층; 광을 출력하기 위한 광원; 광을 도파관 내의 내부 전반사 경로(total internal reflection path)들로 지향시키기 위한 입력 커플러; 및 도파관으로부터 광을 추출하기 위한 출력 커플러를 포함하는 도파관을 포함하며, 여기서 회절 격자 및 복굴절 제어 층과 광의 상호작용은 도파관으로부터 추출된 광의 미리규정된된 특징을 제공한다.

다른 실시예에서, 복굴절 제어 층과 광의 상호작용은, 각도 대역폭(angular bandwidth) 또는 스펙트럼 대역폭(spectral bandwidth) 변동, 편광 회전, 복굴절 변동, 빔 투과 또는 편광 회전 중 적어도 하나에 대한 각도 또는 스펙트럼 의존성, 및 도파관 기판의 평면에서 적어도 하나의 방향에서의 광 투과 변동 중 적어도 하나를 제공한다.

추가 실시예에서, 미리규정된 특징은 도파관에 걸쳐 변한다.

또 다른 실시예에서, 미리규정된 특징은 도파관 내에서 광 전파의 적어도 하나의 방향을 따라 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층과 광의 상호작용의 누적 효과(cumulative effect)로부터 발생한다.

또 다른 추가 실시예에서, 미리규정된 특징은 광의 각도 범위(angular range)에 걸친 균일한 조명 및 균일한 편광 중 적어도 하나를 포함한다.

또 다른 실시예에서, 복굴절 제어 층은 도파관 내에서 광 전파의 적어도 하나의 방향을 따라 복굴절 격자에 의해 유발되는 편광 회전에 대한 보상을 제공한다.

또 다른 추가 실시예에서, 복굴절 제어 층은 액정 및 폴리머 재료 계이다.

또 다른 부가 실시예에서, 복굴절 제어 층은 방향성 자외선 복사(directional ultraviolet radiation)를 사용하여 정렬되는 액정 및 폴리머 계이다.

추가적인 부가 실시예에서, 복굴절 제어 층은, 전자기 복사, 전기장 또는 자기장, 기계적 힘들, 화학 반응, 및 열 노출 중 적어도 하나에 의해 정렬된다.

다시 다른 실시예에서, 복굴절 제어 층은 액정 및 폴리머 계에 형성되는 복굴절 격자에서 LC 디렉터(director)들의 정렬에 영향을 미친다.

다시 추가 실시예에서, 복굴절 제어 층은 이방성 굴절률(anisotropic refractive index)을 갖는다.

또 다른 실시예에서, 복굴절 제어 층은 도파관의 적어도 하나의 내부 또는 외부 광학 표면 상에 형성된다.

또 다른 추가 실시예에서, 복굴절 제어 층은 도파관의 적어도 하나의 광학 표면 상에 배치된 굴절률 층들의 적어도 하나의 스택을 포함하고, 여기서 굴절률 층들의 스택에서 적어도 하나의 층은 등방성 굴절률(isotropic refractive index)을 갖고, 굴절률 층들의 스택에서 적어도 하나의 층은 이방성 굴절률을 갖는다.

또 다른 부가 실시예에서, 복굴절 제어 층은 고 반사 층(high reflection layer)을 제공한다.

또 다른 추가 실시예에서, 복굴절 제어 층은 굴절력(optical power)을 제공한다.

다시 또 다른 실시예에서, 복굴절 제어 층은 도파관에 환경 격리 층을 제공한다.

다시 추가 실시예에서, 복굴절 제어 층은 구배 지수 구조(gradient index structure)를 갖는다.

또 다른 부가 실시예에서, 복굴절 제어 층은 도파관 기판의 평면에서 광학 재료 층을 신장시켜 광학 재료 층의 굴절률을 공간적으로 변화시킴으로써 형성된다.

또 다른 추가적 부가 실시예에서, 광원은 각도 공간(angular space)에 시준된 광을 제공한다.

다시 또 다른 실시예에서, 입력 커플러 및 출력 커플러 중 적어도 하나는 복굴절 격자를 포함한다.

다시 추가 실시예에서, 복굴절 격자는 적어도 하나의 폴리머 및 적어도 하나의 액정을 포함하는 재료 계에 기록된다.

다시 다른 부가 실시예에서, 적어도 하나의 복굴절 격자는, 제1 방향으로의 빔 확장, 제2 방향으로의 빔 확장 및 도파관으로부터의 광 추출의 기능들 중 적어도 하나를 제공하기 위한 그리고 광원으로부터의 광을 도파관 내의 내부 전반사 경로에 커플링하기 위한 적어도 하나의 복굴절 격자를 포함한다.

다시 추가적 부가 실시예에서, 광원은 레이저를 포함하고, 복굴절 격자에서 LC 디렉터들의 정렬은 조명 밴딩(illumination banding)을 보상하도록 공간적으로 변한다.

또 다른 부가 실시예는 도파관을 제조하는 방법을 포함하며, 이 방법은, 제1 투명 기판을 제공하는 단계, 격자 기록 재료 층을 증착하는 단계, 격자 기록 재료 층을 노출시켜 격자 층을 형성하는 단계, 복굴절 제어 층을 형성하는 단계, 및 제2 투명 기판을 적용하는 단계를 포함한다.

또 다른 추가적 부가 실시예에서, 격자 기록 재료 층은 기판 상에 증착되고, 복굴절 제어 층은 격자 층 상에 형성되고, 제2 투명 기판은 복굴절 제어 층 위에 적용된다.

다시 또 다른 부가 실시예에서, 격자 기록 재료 층은 기판 상에 증착되고, 제2 투명 기판은 격자 층 위에 적용되고, 복굴절 제어 층은 제2 투명 기판 상에 형성된다.

다시 또 다른 추가의 부가적 실시예에서, 복굴절 제어 층은 제1 투명 기판 상에 형성되고, 격자 기록 재료 층은 복굴절 제어 층 상에 증착되고, 제2 투명 기판은 격자 층 위에 적용된다.

다시 또 다른 실시예에서, 이 방법은 액정 폴리머 재료 층을 증착하는 단계, 방향성 UV 광을 사용하여 액정 폴리머 재료를 정렬하는 단계를 더 포함하며, 여기서 격자 기록 재료 층은 기판 상에 증착되고 제2 투명 기판은 정렬된 액정 폴리머 층 위에 적용된다.

다시 또 다른 추가 실시예에서, 액정 폴리머 재료 층은 격자 층 또는 제2 투명 기판 중 하나에 증착된다.

다시 또 다른 부가 실시예에서, 액정 폴리머 재료 층은 제1 투명 기판 상에 증착되고, 격자 기록 재료 층은 정렬된 액정 폴리머 재료 상에 증착되고, 제2 투명 기판은 격자 층 위에 적용된다.

부가 실시예들 및 특징들은 다음 설명에서 부분적으로 설명되고 부분적으로는 본 명세서를 검토할 때 당업자에게 명백해지거나 본 발명의 실행에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 특성 및 이점들에 대한 추가적 이해는 본 개시내용의 일부를 형성하는 도면들 및 명세서의 나머지 부분을 참조함으로써 실현될 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 특징들 및 이점들은 첨부되는 데이터 및 도해들과 함께 고려할 때 다음의 상세한 설명을 참조로 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 포함하는 도파관의 개략적 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 2는, 본 발명의 실시예들에 따른, 복굴절 격자, 및 격자 복굴절을 보상하기 위한 복굴절 제어 층을 포함하는 도파관의 개략적 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 도파관으로부터 균일한 출력 조명을 제공하기 위해 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 포함하는 도파관의 개략적 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 등방성 지수 층 및 이방성 지수 층을 결합한 다층 구조에 의해 형성된 복굴절 제어 층의 개략적 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 격자 층과 통합되는 등방성 지수 층 및 이방성 지수 층을 결합한 다층 구조에 의해 형성된 복굴절 제어 층의 개략적 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 제어 층들을 갖는 이중 확장 도파관의 평면도를 개념적으로 예시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 도파관으로부터 출력 광 경로에서 광학 엘리먼트에 의해 유발되는 복굴절을 교정하기 위해 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 포함하는 도파관의 개략적 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른, 층의 에지들에 힘들을 가함으로써 복굴절 제어 층을 정렬하기 위한 장치의 개략적 평면도를 개념적으로 예시한다.
도 9a-9f는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 보유하는 도파관을 제조하기 위한 프로세스 단계들 및 장치를 개념적으로 예시한다.
도 10a-10f는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도파관의 외부 표면에 적용되는 복굴절 제어 층 및 회절 격자를 보유하는 도파관을 제조하기 위한 프로세스 단계들 및 장치를 개념적으로 예시한다.
도 11a-11f는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 보유하는 도파관을 제조하기 위한 프로세스 단계 및 장치를 개념적으로 예시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 보유하는 도파관을 제조하는 방법을 도시하는 흐름도를 개념적으로 예시한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른, 도파관의 외부 표면에 적용되는 복굴절 제어 층 및 복굴절 격자를 보유하는 도파관을 제조하는 방법을 도시하는 흐름도를 개념적으로 예시한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 보유하는 도파관을 제조하는 방법을 도시하는 흐름도를 개념적으로 예시하며, 여기서 복굴절 제어 층을 형성하는 것은 격자 층의 기록 이전에 수행된다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른, 도파관에서 에어 인터페이스(air interface)에 적용되는 복굴절 제어 층을 갖는 도파관의 개략적 측면도를 개념적으로 예시한다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른, 도파관에서 에어 인터페이스에 적용되는 환경으로부터 도파관을 격리시키는 복굴절 제어 층을 갖는, 도파관의 개략적 측면도를 개념적으로 예시한다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 제어 층을 오버레이하는 복굴절 격자 층을 보유하는 구조를 제조하기 위한 장치의 개략적 측면도를 개념적으로 예시하며, 여기서 격자 기록 빔들은 복굴절 제어 층을 통해 전파된다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 제어 층을 오버레이하는 복굴절 격자 층을 보유하는 구조를 제조하기 위한 장치의 개략적 측면도를 개념적으로 예시하며, 여기서 복굴절 제어 층은 격자를 통해 전파되는 UV 방사선에 의해 정렬된다.
도 19는 격자 층이 끼워진 기판들을 보유하는 도파관의 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른, 1/4 파 편광 층(quarter wave polarization layer)이 삽입된 도파관을 개념적으로 예시한다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른, RKV 격자를 갖는 1/4 파 편광 층의 사용을 예시하는 도파관의 일부를 도시하는 개략적 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른, 지수 매칭 오일(index matching oil) 층에 의해 분리된 LCP 1/4 파 셀 및 반응성 모노머 액정 혼합물(RMLCM:reactive monomer liquid crystal mixture) 셀을 보유하는 편광 층 아키텍처를 개념적으로 예시한다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른, 베어(bare) LCP 막과 직접 접촉하는 RMLCM 격자 재료 층을 갖는, 격자 셀에 기초한 편광 아키텍처의 예를 개념적으로 예시한다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른, 베어 LCP 층이 베어 RMLCM 층에 결합되는(bonded) 편광 층 아키텍처의 예를 개략적으로 도시하는 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른, 편광 층으로서 RMLCM 층을 사용하는 편광 층 아키텍처의 예를 개략적으로 도시하는 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 격자들에 의해 유발되는 편광 회전을 보상하기 위한 피처(feature)를 포함하는 편광 층 아키텍처의 예를 개념적으로 예시한다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른, 도 26의 실시예의 피처들을 포함하는 도파관 디스플레이를 개략적으로 도시하는 평면도를 개념적으로 예시한다.
도 28 및 도 29는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 상부 기판, 하드 캡슐화 층(hard encapsulation layer)을 갖는 LCP 층, RMLCM 층, 및 하부 기판을 보유하는 편광 층 아키텍처들의 예들을 개략적으로 도시하는 단면도들을 개념적으로 예시한다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른, 2-영역 폴리머 막의 제1 예를 개략적으로 도시하는 평면도를 개념적으로 예시한다.
도 31은 본 발명의 실시예에 따른, 2-영역 폴리머 막의 제2 예를 개략적으로 도시하는 평면도를 개념적으로 예시한다.
도 32는 본 발명의 실시예에 따른, 2-영역 폴리머 막의 제3 예를 개략적으로 도시하는 평면도를 개념적으로 예시한다.
도 33은 본 발명의 실시예에 따른, 클리어 어퍼처 레이아웃(clear aperture)을 도시하는 도면을 개념적으로 예시한다.
도 34는 본 발명의 실시예에 따른, 각각의 격자에 대한 K-벡터들 및 정렬 층 고속 축 방향들을 포함하는 입력, 접힘(fold) 및 출력 격자들을 보유하는 도파관을 개념적으로 도시하는 평면도를 개념적으로 예시한다.

실시예들을 설명하기 위해, 광학 설계 및 시각적 디스플레이들의 분야의 당업자들에게 알려진 광학 기술의 일부 잘 알려진 특징들은 본 발명의 기본 원리들을 모호하게 하지 않기 위해 생략되거나 단순화되었다. 달리 언급되지 않는 한, 광선 또는 빔 방향과 관련하여 "축-상(on-axis)"이라는 용어는, 본 발명과 관련하여 설명되는 광학 컴포넌트들의 표면들에 수직인 축에 평행한 전파를 자칭한다. 다음의 설명에서, 광, 광선, 빔 및 방향이란 용어들은 직선 궤적들을 따르는 전자기 복사의 전파 방향을 나타내기 위해 상호교환적으로 그리고 서로 연관되어 사용될 수 있다. 광 및 조명이라는 용어는 전자기 스펙트럼의 가시 대역 및 적외선 대역과 관련하여 사용될 수 있다. 다음의 설명의 일부들은 광학 설계 분야의 당업자들에 의해 일반적으로 사용되는 용어를 사용하여 제시될 것이다. 다음의 설명에서, 격자라는 용어는, 홀로그램들 및 브래그 또는 볼륨 홀로그램들을 비롯하여, 도파관에 사용되는 임의의 종류의 회절 구조를 지칭하는 데 사용될 수 있다. 격자라는 용어는 또한, 격자들의 세트를 포함하는 격자를 포괄할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 입력 격자 및 출력 격자는, 각각, 단일 층으로 다중화되는 2개 이상의 격자들을 포함한다. 예시 목적으로, 도면들은 달리 언급되지 않는 한 축척에 맞게 그려진 것이 아님을 이해해야 한다.

전반적으로 도면들을 참조로, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 복굴절 제어를 포함하는 도파관 애플리케이션들에 관한 계(system)들 및 방법들이 예시된다. 복굴절은 광의 편광 및 전파 방향에 의존하는 굴절률을 갖는 재료의 광학 특성이다. 복굴절 격자는 이러한 특성들을 갖는 격자로서 지칭될 수 있다. 많은 경우들에서, 복굴절 격자는, 이로 제한되는 것은 아니지만 FIPDLC 혼합물들과 같은 액정 폴리머 재료 계에서 형성된다. 이러한 격자의 편광 특성들은 평균 비유전율(relative permittivity) 및 비유전율 변조 텐서들에 의존할 수 있다.

본 발명에 따른 다수의 실시예들은 복굴절 제어를 구현하는 도파관들에 관련된다. 일부 실시예들에서, 도파관은 복굴절 격자 층 및 복굴절 제어 층을 포함한다. 추가 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 컴팩트하고 효과적이다. 이러한 구조들은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 홀로그래픽 도파관들에서의 편광 관련 손실들을 보상하는 것; 브래그 격자들에 기초하여 도파관들에서 3-차원 LC 디렉터 정렬을 제공하는 것; 및 도파관으로부터의 출력을 균질화하기 위해 각/스펙트럼 대역폭을 공간적으로 변화시키는 것을 포함하는 다양한 애플리케이션들에 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 편광 보상을 갖는 편광-유지, 광각(wide-angle), 및 고-반사 도파관 클래딩이 복굴절 격자를 위해 구현된다. 몇몇 실시예들에서, 1/4 파 또는 반파 지연을 제공하기 위한 얇은 편광 제어 층이 구현된다. 다수의 실시예들에서, 도파관과 함께 사용되는 외부 광학 엘리먼트의 복굴절의 밸런싱을 위해 도파관의 편광 출력을 수정하기 위한 편광-유지, 광각 복굴절 제어 층이 구현된다.

다수의 실시예들에서, 도파관은 적어도 하나의 입력 격자 및 적어도 하나의 출력 격자를 포함한다. 추가 실시예들에서, 도파관은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 빔 확장을 위한 접힘 격자(fold grating)들과 같은 다양한 목적을 위한 부가적인 격자들을 포함할 수 있다. 입력 격자 및 출력 격자 각각은 다중화된 격자들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 격자 및 출력 격자 각각은, 하나 이상의 얇은 광학 기판에 의해 수직으로 분리되거나 또는 이와 접촉하는 2개의 오버랩핑 격자 층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자 층들은 유리 또는 플라스틱 기판들 사이에 끼워진다. 일부 실시예들에서, 2개 이상의 그러한 격자 층들은 스택을 형성할 수 있으며, 이 스택 내에서는, 외부 기판 및 에어 인터페이스들에서 내부 전반사가 발생한다. 일부 실시예들에서, 도파관은 단지 하나의 격자 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 회절 상태와 클리어 상태 사이에서 격자들을 스위칭하기 위해 전극들이 기판들의 면(face)들에 적용될 수 있다. 스택은 빔 분할 코팅들 및 환경 보호 층들과 같은 부가적인 층들을 더 포함할 수 있다. 도면들에 도시된 입력 및 출력 격자들은 전술한 격자 구성들 중 임의의 것에 의해 제공될 수 있다. 유리하게, 입력 및 출력 격자들은 공통 표면 격자 피치를 갖도록 설계될 수 있다. 도파관이 입력 및 출력 격자들 이외의 격자(들)를 보유하는 경우들에서, 격자들은, 격자 벡터들의 벡터 합이 실질적으로 제로가 되게 하는 격자 피치들을 갖게 설계될 수 있다. 입력 격자는, 각각의 격자가 입사하는 비편광 광의 편광을 도파관 경로로 회절시키도록 배향된 격자와 결합할 수 있다. 출력 격자들은, 도파관 경로들로부터의 광이 결합되어 비편광 광으로서, 도파관에 아웃 커플링되도록 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 각각의 격자는 3D 공간에서 적어도 하나의 격자 벡터 (또는 K-벡터)를 특징으로 하며, 이는 브래그 격자의 경우, 브래그 프린지들에 수직인 벡터로서 규정된다. 격자 벡터는 주어진 범위의 입력 및 회절 각도들에 대한 광학 효율을 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관은 적어도 하나의 표면 릴리프 격자(surface relief grating)를 포함한다. 도파관 격자 구조들, 재료 계들 및 복굴절 제어는 아래에서 더 상세히 논의된다.

스위칭가능 브래그 격자들( Switchable Bragg Gratings)

도파관들에 기록된 광학 구조들은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 회절 격자들과 같은 여러 상이한 타입들의 광학 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 구현되는 격자는 브래그 격자(또한, 볼륨 격자로도 지칭됨)이다. 브래그 격자들은 적은 광이 더 높은 차수들로 회절되는 높은 효율을 가질 수 있다. 회절된 그리고 제로 차수에서의 광의 상대적인 양은 격자의 굴절률 변조를 제어함으로써 변할 수 있으며, 이 특성을 사용하여 큰 퓨필(pupil)에 걸쳐 광을 추출하기 위한 손실성 도파관 격자들을 만들 수 있다. 홀로그래픽 도파관 디바이스들에서 사용되는 격자들의 한 부류가 스위칭가능한 브래그 격자 ("SBG: Switchable Bragg Grating")이다. SBG들은 먼저, 유리 플레이트들 또는 기판들 사이에 광중합성 모노머들과 액정 재료의 혼합물의 박막을 배치함으로써 제조될 수 있다. 많은 경우들에서, 유리 플레이트들은 병렬 구성이다. 하나 또는 두 개의 유리 플레이트들은 막에 걸쳐 전기장을 인가하기 위해 전극들, 통상적으로는 투명한 주석 산화물 막을 지지할 수 있다. SBG의 격자 구조는 공간적으로 주기적인 강도 변조와 함께 간섭 노출(interferential exposure)을 사용하여 광중합-유도 상 분리를 통해 액체 재료(흔히, 시럽으로 지칭됨)에 기록될 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 조사(irradiation) 강도의 제어, 혼합물 내 재료들의 컴포넌트 볼륨 분율들, 및 노출 온도와 같은 요인들은 결과적인 격자 모폴로지(morphology) 및 성능을 결정할 수 있다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 주어진 애플리케이션의 특정 요구사항들에 따라 다양한 재료들 및 혼합물들이 사용될 수 있다. 다수의 실시예들에서, HPDLC 재료가 사용된다. 기록 프로세스 동안, 모노머들은 중합되고 혼합물은 상 분리를 거친다. LC 분자들은 응집되어(aggregate), 광학 파장들의 스케일로 폴리머 네트워크들에 주기적으로 분포되는 이산 또는 합체된(coalesced) 액적들을 형성한다. 교번하는 액정-풍부 영역 및 액정-고갈 영역이 격자의 프린지 평면들을 형성하여, 액적들에서 LC 분자들의 배향 순서로 인해 발생하는 강한 광학 편광을 갖는 브래그 회절이 생성될 수 있다.

결과적인 볼륨 위상 격자는 매우 높은 회절 효율을 나타낼 수 있으며, 이는 막에 걸쳐 인가되는 전기장의 크기에 의해 제어될 수 있다. 투명 전극들을 통해 전기장이 격자에 인가될 때, LC 액적들의 자연스러운 배향이 변경될 수 있어, 프린지들의 굴절률 변조가 낮아지고 홀로그램 회절 효율이 매우 낮은 레벨들로 떨어지게 한다. 통상적으로, 전극들은 인가된 전기장이 기판들에 수직이도록 구성된다. 다수의 실시예들에서, 전극들은 인듐 주석 산화물( "ITO")로 제조된다. 전기장이 인가되지 않은 OFF 상태에서, 액정들의 이상 축(extraordinary axis)은 일반적으로 프린지들에 수직으로 정렬된다. 따라서, 격자는 P-편광된 광에 대해 높은 굴절률 변조 및 높은 회절 효율을 나타낸다. HPDLC에 전기장이 인가될 때, 격자는 ON 상태로 스위칭되며, 여기서 액정 분자들의 이상 축들은 인가된 전기장에 평행하게 그리고 그에 따라서 기판에 수직으로 정렬된다. ON 상태에서, 격자는 S-편광된 광 및 P-편광된 광 둘 다에 대해 더 낮은 굴절률 변조 및 더 낮은 회절 효율을 나타낸다. 따라서, 격자 영역은 더 이상 광을 회절시키지 않는다. 각각의 격자 영역은, 예를 들어, HPDLC 디바이스의 기능에 따라 픽셀 매트릭스와 같은 다수의 격자 엘리먼트들로 나뉠 수 있다. 통상적으로, 하나의 기판 표면 상의 전극은 균일하고 연속적인 반면, 대향 기판 표면 상의 전극들은 선택적으로 스위칭가능한 다수의 격자 엘리먼트들에 따라 패터닝된다.

투과 SBG들의 알려진 속성들 중 하나는, LC 분자들이 격자 프린지 평면들에 수직인 평균 방향(즉, 격자 또는 K- 벡터에 평행)으로 정렬되는 경향이 있다는 것이다. LC 분자 정렬의 효과는, 투과 SBG들이 P 편광된 광(즉, 입사 평면에서 편광 벡터를 갖는 광)을 효과적으로 회절시키지만, S 편광된 광(즉, 입사 평면에 수직인 편광 벡터를 갖는 광)에 대해서는 거의 제로 회절 효율을 갖는다는 것이다. 결과적으로, 투과 SBG들은, 입사 광과 반사 광 사이의 끼인 각(included angle)이 작을 때 P 편광에 대한 임의의 격자의 회절 효율이 제로로 떨어지기 때문에, 전형적으로 니어-그레이징 입사(near-grazing incidence)에서는 사용될 수 없다. 또한, 비-매칭 편광을 갖는 조명 광은 하나의 편광에만 민감한 홀로그래픽 디스플레이들에서 효과적으로 캡처되지 않는다.

HPDLC 재료 계들

본 발명의 다양한 실시예들에 따른 HPDLC 혼합물들은 일반적으로 LC, 모노머들, 광개시제 염료(photoinitiator dye)들 및 공개시제(coinitiator)들을 포함한다. 혼합물(종종 시럽으로 지칭됨)은 흔히 계면활성제(surfactant)를 또한 포함한다. 본 발명을 설명하기 위해, 계면활성제는 전체 액체 혼합물의 표면 장력을 낮추는 임의의 화학제(chemical agent)로서 규정된다. HPDLC 혼합물들에서 계면활성제들의 사용은 공지되어 있으며, HPDLC들의 가장 초기의 조사로 거슬러 올라간다. 예를 들면, 인용에 의해 본원에 포함되는 R.L Sutherland 등의 논문(SPIE Vol. 2689, 158-169, 1996)에는, 모노머, 광개시제, 공개시제, 사슬 연장제(chain extender), 및 계면활성제가 첨가될 수 있는 LC들을 포함하는 HPDLC 혼합물이 설명된다. 계면활성제들은 또한, 인용에 의해 본원에 포함되는 Natarajan 등의 논문(Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials, Vol. 5 No. I 89-98, 1996)에 언급되어 있다. 또한, Sutherland 등의 미국 특허 제7,018,563호는, 적어도 하나의 아크릴산 모노머; 적어도 하나의 타입의 액정 재료; 광개시제 염료; 공개시제; 및 계면활성제를 포함하는 폴리머-분산형 액정 광학 엘리먼트를 형성하기 위한 폴리머-분산형 액정 재료를 논의한다. 이로써, 미국 특허 제7,018,563호의 개시내용은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.

특허 및 과학 문헌에는, 높은 회절 효율, 빠른 응답 시간, 낮은 구동 전압 등을 달성하기 위한 그러한 재료 계들의 공식화하기 위한 조사들을 포함하여, SBG들을 제조하는 데 사용될 수 있는 재료 계들 및 프로세스들의 다수의 예들이 보유되어 있다. Sutherland의 미국 특허 제5,942,157호 및 Tanaka 등의 미국 특허 제5,751,452호 둘 모두에는 SBG 디바이스들을 제조하는 데 적합한 모노머 및 액정 재료 조합들을 설명한다. 레시피들의 예들은 또한, 1990 년대 초로 거슬러 올라간 논문들에서도 찾을 수 있다. 이들 재료들 중 다수는, 아크릴레이트 모노머들을 사용하며, 하기를 포함한다:

● R.L.Sutherland 등의 Chem. Mater. 5, 1533(1993), 이의 개시내용은 인용에 의해 본원에 포함되며, 아크릴레이트 폴리머들 및 계면활성제들의 용도를 설명한다. 구체적으로, 레시피는 가교 다관능성 아크릴레이트 모노머; 사슬 연장제 N-비닐 피롤리디논, LC E7, 광개시제 로즈 벤갈, 및 공개시제 N-페닐 글리신을 포함한다. 계면활성제 옥탄산이 특정 변형물들로 첨가되었다.

● Fontecchio 등의 SID 00 Digest 774-776, 2000, 이의 개시내용은 인용에 의해 본원에 포함되며, 다관능성 아크릴레이트 모노머, LC, 광개시제, 공개시제들 및 사슬 종결제(chain terminator)를 포함하는 반사성 디스플레이 애플리케이션들을 위한 UV 경화성 FIPDLC를 설명한다.

● Y.H. Cho 등의 Polymer International, 48, 1085-1090, 1999, 이의 개시내용은 인용에 의해 본원에 포함되며, 아크릴레이트들을 포함하는 HPDLC 레시피들을 개시한다.

● Karasawa 등의 Japanese Journal of Applied Physics, Vol.36, 6388-6392, 1997, 이의 개시내용은 인용에 의해 본원에 포함되며, 다양한 관능 순서들의 아크릴레이트들을 설명한다.

● T.J. Bunning 등의 Polymer Science: Part B: Polymer Physics, Vol.35, 2825-2833, 1997, 이의 개시내용은 인용에 의해 본원에 포함되며, 다관능성 아크릴레이트 모노머들을 또한 설명한다.

● G.S.Iannacchione 등의 Europhysics Letters Vol.36(6). 425-430, 1996, 이의 개시내용은 인용에 의해 본원에 포함되며, 펜타-아크릴레이트 모노머, LC, 사슬 연장제, 공개시제들 및 광개시제를 포함하는 PDLC 혼합물을 설명한다.

아크릴레이트들은 빠른 동역학들, 다른 재료들과의 양호한 혼합, 및 막 형성 프로세스들과의 호환성의 이점들을 제공한다. 아크릴레이트들은 가교-결합되기 때문에, 이들은 기계적으로 견고하고 가요성인 경향이 있다. 예를 들어, 관능성 2(di) 및 3(tri)의 우레탄 아크릴레이트들이 HPDLC 기술에 광범위하게 사용되어 왔다. 펜타(penta) 및 헥스(hex) 관능성 스템(functional stem)들과 같은 더 높은 관능성 재료들이 또한 사용되어 왔다.

복굴절의 개요

HPDLC에 기초한 홀로그래픽 도파관들은 스위칭 능력 및 높은 지수 변조의 이점들을 제공하지만, LC-폴리머 상 분리 동안 격자 벡터들에 따른 액정 디렉터들의 정렬로 인해 발생하는 고유한 복굴절을 겪을 수 있다. 이는 다수의 애플리케이션들에서 유리할 수 있는 높은 등급의 편광 선택성을 유도할 수 있지만, 도파관의 평면에서 도파관 빔이 접히고 확장되게 설계된 격자들(접힘 격자들로 알려짐)에서 편광 회전과 같은 역효과들이 발생할 수 있다. 이 편광 회전은 효율 손실과 출력 광 불균일성을 유도할 수 있다.

LC 디렉터들의 정렬을 수정하기 위한 두 가지 일반적인 접근법들은, 정렬 층의 적용 및 러빙(rubbing)을 포함한다. 통상적으로, 이러한 수단에 의해, 정렬 층에 평행한 평면의 LC 디렉터들이 평면 내에서 재정렬될 수 있다. HPDLC 브래그 격자들에서, 격자 K-벡터들을 따른 LC 디렉터들의 자연스러운 정렬로 인해 문제가 더 까다로워지고, 이는 가장 간단한 격자들을 제외한 모든 격자들에서의 디렉터 정렬을 복잡한 3-차원 문제로 만들고 러빙 또는 폴리아미드 정렬 층들을 사용하는 종래의 기술들이 비실용적이게 만든다. 다른 접근법들에는 경화 중에 전기장, 자기장 및 기계적 압력을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 접근법들은 반사 격자들에 적용될 때 제한적인 성공을 나타냈다. 그러나, 이러한 기술들은 통상적으로, 투과 브래그 격자 도파관들로의 전환이 쉽지 않다.

도파관들에서의 주요한 설계 난점은 외부 프로젝터로부터의 이미지 콘텐츠를, 효과적으로 그리고 도파관 이미지가 색 분산(chromatic dispersion) 및 밝기 불균일성이 없는 방식으로, 도파관에 커플링하는 것이다. 색 분산을 극복하고 양호한(respectable) 시준을 달성하기 위해, 레이저들의 사용이 구현될 수 있다. 그러나, 레이저들은, 그들 자신을 출력 조명 불균일성으로서 나타내는 퓨필 밴딩 아티팩트(pupil banding artifact)들의 문제를 겪을 수 있다. 시준된 퓨필이 TIR 도파관에서 복제(확장)될 때, 밴딩 아티팩트들이 형성될 수 있다. 기본적으로, 빔이 격자와 상호작용할 때마다 도파관으로부터 회절되는 광 빔들은 갭들 또는 오버랩들을 가질 수 있으며, 이는 조명 리플(illumination ripple)을 유도할 수 있다. 많은 경우들에서, 리플 정도는 필드 각도, 도파관 두께 및 어퍼처 두께의 함수이다. 밴딩 효과는, 통상적으로 LED들과 같은 광대역 소스들에 의해 나타나는 분산에 의해 원활해질 수 있다. 그러나, LED 조명은 밴딩 문제에서 완전히 자유롭지 못하며, 또한 부피가 큰 입력 광학기 및 도파관의 두께의 증가를 산출하는 경향이 있다. 디밴딩(debanding)은, 입력 격자가 TIR 각도의 함수인 효과적인 입력 어퍼처를 갖도록, 도파관에 커플링된 광을 구성하기 위한 퓨필 시프팅 기술을 사용하여 최소화될 수 있다. "균일한 출력 조명을 갖는 도파관 디바이스"라는 명칭의 국제 출원번호 PCT/US2018/015553에서 퓨필-시프팅을 수행하기 위한 기술이 있으며, 이로써 그 개시내용은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.

일부 경우들에서, (상술된) 접힘 격자들에서 발생하는 편광 회전은 레이저 조명을 사용하는 도파관들에서의 조명 밴딩을 보상할 수 있다. 이에 대한 메커니즘은, 각각의 상호작용에서 작은 편광 회전과 결합된 접힘 격자에서의 다수의 격자 상호작용들이 (TIR 빔들의 불완전한 매칭 및 다른 간섭성 광학 효과들, 이를테면, 이로 제한되는 것은 아니지만, 기록 프로세스에서 남은 기생 격자들, 격자 및 도파관 표면들과의 미광(stray light) 상호작용 등으로 인해 발생하는) 밴딩을 평균화할 수 있다는 것이다. 접힘 격자에서 복굴절(LC 디렉터들의 정렬)의 공간적 변동을 미세 조정함으로써, 복굴절을 보상하는 프로세스가 지원될 수 있다.

도파관 디스플레이들에서 발생하는 또 다른 문제는, 수분 또는 표면 결합과의 접촉이 도파관 내부 전반사(TIR)를 억제하여 이미지 갭들을 유도할 수 있다는 것이다. 이러한 경우들에서, 보호 외부 층들을 사용하는 범위는, 도파관 각도 대역폭에 걸쳐 TIR을 제공할 낮은 지수 재료들에 대한 필요성에 의해 제한될 수 있다. 도파관들에서의 또 다른 설계 난점은 도파관의 각도 대역폭에 걸쳐 높은 효율을 유지하는 것이다. 한 가지 예시적인 해결책은 편광-유지, 광각 및 고-반사 도파관 클래딩일 것이다. 일부 애플리케이션들에서, 도파관 내에서의 편광 밸런싱은 도파관의 주 반사 표면들 중 하나 또는 둘 모두에 적용되는 1/4 파 지연 층 또는 반파 지연 층을 사용하여 달성될 수 있다. 그러나, 일부 경우들에서는, 실용적인 지연 막들이 도파관에 허용할 수 없는 두께를 부가할 수 있다. 요구되는 규정의 박막 코팅들은 일반적으로, 비싸고 시간 소모적인 진공 코팅 단계를 수반할 것이다. 코팅을 구현하는 하나의 예시적인 방법은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 잉크젯 프린팅 또는 산업-표준 스핀-코팅 절차의 사용을 포함한다. 다수의 실시예들에서, 코팅은 프린팅된 격자 층에 직접 적용될 수 있다. 대안적으로, 코팅은 조립된 도파관의 외부 광학 표면에 적용될 수 있다.

일부 애플리케이션들에서, 도파관들은 수차들을 교정하기 위해 종래의 광학기와 결합된다. 이러한 수차들은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 자동차 HUD와 같은 애플리케이션들에서 도파관들이 사용될 때 발생할 수 있으며, 이 자동차 HUD는 뷰어의 아이박스로의 반사를 위해 자동차 윈드스크린(windscreen) 상에 이미지를 투사한다. 윈드스크린의 곡률들은 상당한 기하학적 수차를 유발할 수 있다. 다수의 도파관들이 시준된 빔들로 작동하기 때문에, 도파관 자체 내에서의 왜곡을 사전-보상하기하는 것은 어려울 수 있다. 하나의 해결책은 도파관들의 출력 표면 근처에 사전-보상 광학 엘리먼트를 장착하는 것을 포함한다. 많은 경우들에서, 광학 엘리먼트는 플라스틱으로 몰딩되어 심한 복굴절을 유발할 수 있으며, 이는 도파관에 의해 밸런싱되어야 한다.

상기의 관점에서, 본 발명의 다수의 실시예들은, 위에서 제시된 하나 이상의 문제들을 해결하도록 설계된 복굴절 제어 층들에 관련된다. 예를 들어, 다수의 실시예들에서, 홀로그래픽 도파관들에 편광 관련 손실들을 보상하기 위한, 브래그 격자들에 기초하여 도파관들에서 3-차원 LC 디렉터 정렬을 제공하기 위한, 도파관으로부터의 출력을 균질화하기 위해 각/스펙트럼 대역폭을 공간적으로 변화시키기 위한, 그리고/또는 도파관 빔들의 한정을 보장하면서 도파관을 그의 환경으로부터 격리시키기 위한 컴팩트하고 효과적인 복굴절 제어 층이 구현된다. 일부 실시예들에서, 편광 보상을 갖는 편광-유지, 광각, 및 고-반사 도파관 클래딩이 복굴절 격자에 대해 구현된다. 몇몇 실시예들에서, 1/4 파 또는 반파 지연을 제공하기 위한 얇은 편광 제어 층이 구현된다. 편광 제어 층은 표준 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅 프로세스를 사용하여 격자 층 바로 위에 또는 도파관 기판들 중 하나 또는 둘 모두에 얇은 층으로서 구현될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 도파관과 함께 사용되는 외부 광학 엘리먼트의 복굴절의 밸런싱을 위해 도파관의 편광 출력을 수정하기 위한 편광-유지, 광각 복굴절 제어 층이 구현된다. 다른 구현들 및 특정 구성들은 아래에서 더 상세히 논의된다.

복굴절 제어를 포함하는 도파관 애플리케이션들

본 발명의 다양한 실시예들에 따른 복굴절 제어 기술들을 구현하는 도파관들 및 도파관 디스플레이들은 여러 상이한 기술들을 사용하여 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관은 복굴절 격자 층 및 복굴절 제어 층을 포함한다. 추가 실시예들에서, 컴팩트하고 효과적인 복굴절 제어 층이 구현된다. 복굴절 제어 층은, 다양한 기능들, 이를테면, 이로 제한되는 것은 아니지만, 홀로그래픽 도파관들에서 편광 관련 손실들을 보상하는 것; 브래그 격자들에 기초하여 도파관들에서 3-차원 LC 디렉터 정렬을 제공하는 것; 및 도파관으로부터의 출력을 균질화하기 위해 각/스펙트럼 대역폭을 공간적으로 변화시기 위한, 효율적이고 비용 효과적인 도파관 내 통합을 위해 구현될 수 있다. 설명될 실시예들 중 임의의 실시예에서, 복굴절 제어 층은 도파관의 임의의 광학 표면 상에 형성될 수 있다. 본 발명의 이해를 위해, 도파관의 광학 표면은 TIR 표면들 중 하나, 격자 층의 표면, 격자 층이 끼워진 도파관 기판들의 표면, 또는 도파관 내부에 구현된 임의의 다른 광학 기판의 표면(예를 들어, 균일성을 개선하기 위한 빔-스플리터 층)일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복굴절 제어 층을 구현하는 도파관을 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 도파관 장치(100)는 복굴절 격자 층(102) 및 복굴절 제어 층(103)을 보유하는 광학 기판(101)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 도파관 내에서 TIR 하에서 전파하는 광(104)은 2개의 층들 모두와 상호작용한다. 예를 들어, 기호 104B로 표현되는 초기 편광 상태를 갖는 광선(104A)은, 포인트(102A) 주위의 격자 영역을 통한 전파 후에 그 편광이 상태(104C)로 회전된다. 복굴절 제어 층(103)은 편광 벡터를 상태(104D)로 회전시키며, 이 상태(104D)는, 광선(104E)이 포인트(102B) 주위의 격자와 상호작용하고 상태(104D)와 유사한 편광 상태(104G)와 방향(104F)로 회절될 때, 광선(104E)의 일부 미리규정된 회절 효율을 달성하기 위한 편광 상태이다. 이하의 설명에 도시되는 바와 같이, 복굴절 제어 층 및 복굴절 격자의 여러 상이한 구성들이 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 구현될 수 있다.

도 2는 도파관 장치(200)를 개념적으로 도시하며, 도파관 장치(200)는 적어도 하나의 광학 기판(201), 및 외부 소스(204)로부터의 광(203A, 203B)(다양한 입사 각도들을 커버함)을, 도파관 기판의 TIR 경로들(205A, 205B)로 편향시키기 위한 커플러(202)를 포함한다. TIR 경로의 광은, TIR 광이 격자에 의한 회절을 위한 조건을 충족시킬 때마다, 광의 일부를 추출하도록 구성될 수 있는 출력 격자와 상호작용할 수 있다. 브래그 격자의 경우, 브래그 조건이 충족되면 추출이 발생할 수 있다. 보다 정확하게는, 격자에 입사하는 광선이 브래그 조건에 입각한 각도 대역폭 및 스펙트럼 대역폭 내에 있을 때, 효과적인 추출이 발생할 수 있다. 대역폭들은 (이로 제한되는 것은 아니지만, 피크 DE의 50%와 같이) 용인가능한 회절 효율에 대한 일부 기준(measure)에 따라 규정된다. 예를 들어, TIR 광선 경로들(205A, 205B)의 광은 출력 격자에 의해 출력 격자를 따른 상이한 포인트들에서 출력 방향(206A, 206B, 207A 및 207B)으로 회절된다. 고유한 TIR 각도가 입력 격자에서 각각의 광 입사 각도에 의해 규정될 수 있다는 것이 기본 기하 광학(geometrical optics)으로부터 명확할 것이다.

여러 상이한 타입들의 광학 엘리먼트들이 커플러로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 커플러는 격자이다. 몇몇 실시예들에서, 커플러는 복굴절 격자이다. 다수의 실시예들에서, 커플러는 프리즘이다. 장치는, 제1 방향으로 빔 확장을 그리고 도파관으로부터 광 추출을 제공하기 위한 적어도 하나의 복굴절 격자(208), 및 이방성 굴절률 특성들을 갖는 적어도 하나의 복굴절 제어 층(209)을 더 포함한다. 논의될 실시예들에서, 소스(204)는 입력 이미지 생성기일 수 있으며, 이는 광원, 마이크로 디스플레이 패널, 및 광을 시준하기 위한 광학기를 포함한다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 비-시준 광을 출력하는 것들을 포함하는 다양한 입력 이미지 생성기들이 사용될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는, 각각의 디스플레이 픽셀이 기판 도파관 내에서 고유한 각도 방향으로 변환되도록, 마이크로 디스플레이 패널 상에 디스플레이되는 이미지를 투사한다. 시준 광학기는 렌즈 및 미러들을 포함할 수 있고, 이들은 회절 렌즈들 및 미러들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 소스는 이미지 정보로 변조되지 않는 조명을 제공하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광원은 레이저 또는 LED일 수 있고, 조명 빔 각도 특징들을 수정하기 위한 하나 이상의 렌즈들을 포함할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 이미지 소스는 마이크로-디스플레이 또는 이미지 스캐너일 수 있다.

광의 임의의 방향에 대해 내부 전반사 경로를 따라 통합되는 복굴절 제어 층(209) 및 복굴절 격자(208)와 광의 상호작용은 도파관으로부터 추출된 광의 미리규정된 특징을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 미리규정된 특징은 광의 각도 범위에 걸친 균일한 편광 또는 균일한 조명 중 적어도 하나를 포함한다. 도 2는 또한, 복굴절 제어 층(209) 및 격자(208)가 어떻게 균일한 편광을 제공하는지를 예시한다. 다수의 실시예들에서, 입력 상태는 HPDLC에 기록된 격자들에 사용될 수 있는 상태인 P 편광에 대응할 것이다. 본 발명을 설명하기 위해, 210으로 표현된 초기 편광 상태가 가정된다. TIR 경로(205A)를 따라 격자 상호작용 영역 근처에서 복굴절 제어 층과 광의 상호작용은 편광 상태들(211, 212)로 표현되며, 이는 복굴절 제어 층(209)의 두께(AB)를 통한 전파 전후의 편광 벡터의 회전을 보여준다. 이 편광 회전은, 광선이 TIR 경로(205A)를 따라 만나는 인접한 격자 영역의 두께(CD)를 통해 편광 회전을 밸런싱하도록 설계될 수 있다. 따라서, 격자에 의해 추출된 광의 편광은 편광 상태(213)에 의해 표시된 바와 같이 입력 편광 벡터에 평행하게 정렬될 수 있다. 일부 실시예들에서, 출력 편광 상태는 입력 편광 상태와 상이할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 이를테면 도 2에 도시된 실시예에서, 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층이 적어도 부분적으로 오버랩된다. 몇몇 실시예들에서, 이 둘은 도파관 경로의 일부에 의해 분리된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 제어 층 및 격자가 균일한 출력 조명을 제공하는 도파관 장치(300)를 개념적으로 예시한다. 예시적 실시예에서, 도파관 장치(300)는 적어도 하나의 광학 기판(301), 및 외부 소스(304)로부터의 광(303)을 도파관 기판의 TIR 경로들(305)로 편향시키기 위한 커플러(302)를 포함한다. 장치(300)는, 제1 방향으로 빔 확장을 그리고 도파관으로부터 광 추출을 제공하기 위한 적어도 하나의 복굴절 격자(306), 및 이방성 지수 특성들을 갖는 적어도 하나의 복굴절 제어 층(307)을 더 포함한다. 도시된 바와 같이, TIR 광선 경로들(305)의 광은 출력 격자에 의해 출력 방향(308, 309)으로 회절될 수 있다. 본 발명을 설명하기 위해, 310으로 표현된 초기 빔 조명(I) 대 각도(U) 프로파일이 가정된다. TIR 경로(305)를 따라 격자 상호작용 영역 근처에서 복굴절 제어 층 (307)과 광의 상호작용은 복굴절 제어 층의 두께(AB)를 통한 전파 전 조명 프로파일(311) 및 이 전파 후 조명 프로파일(312)을 특징으로 한다. 이로 제한되는 것은 아니지만 디스플레이 애플리케이션들과 같은 일부 애플리케이션들에서, 도파관 장치(300)는 도파관의 출사 퓨필에 걸쳐 각도에 대해 균일한 조명을 갖도록 설계될 수 있다. 이는, 도파관 출사 퓨필에 걸쳐 통합되는 격자(308, 309로 표시됨)에 의해 추출되는 광이 균일한 조명 대 각도 분포(313)를 제공하도록, 복굴절 제어 층의 복굴절 대 각도 특징들을 격자의 각도 대역폭(경로 AB에 근접한 인근 격자 경로 CD들을 따름)에 매칭시킴으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자 및 복굴절 제어 층의 특징들은 도파관의 어퍼처에 걸쳐 다양하다.

복굴절 제어 층들의 구현

복굴절 제어 층을 제공하기 위해 다양한 재료들 및 제조 프로세스들이 사용할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 복굴절 제어 층은, 광의 임의의 방향에 대해 내부 전반사 경로를 따라 통합된 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층과 광의 상호작용이 도파관으로부터 추출된 광의 미리규정된 특징을 제공하도록 복굴절의 공간 분포를 제공하기 위해, 제조 중에 제어될 수 있는 이방성 지수 특성들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 층은 2개 이상의 층을 포함하는 얇은 스택으로서 구현될 수 있다.

HPDLC 격자들의 정렬은 격자 구성에 따라 중요한 난제들을 제시할 수 있다. 가장 간단한 경우의 평면 격자에서, 편광 제어는 격자 평면에 직교하는 단일 평면으로 한정될 수 있다. 롤링된 K-벡터 격자들은 격자 평면에 걸쳐 정렬이 달라질 것을 요구할 수 있다. 접힘 격자들, 특히 경사진 브래그 프린지들이 있는 접힘 격자들은 3D 정렬을 요구하는 훨씬 더 복잡한 복굴절, 및 일부 경우들에서는, 훨씬 더 공간적으로 분해된(resolved) 정렬을 가질 수 있다.

본 발명과 함께 사용하기 위한 복굴절 제어 층의 다음 예들은 단지 예시일 뿐이다. 각각의 경우, 특성들이 층의 표면에 걸쳐 변하도록 층이 프로세싱된다고 가정된다. 또한, 복굴절 제어 층이 도파관 내에 또는 격자를 보유하는 도파관의 광학 표면 상에 구성된다고 가정된다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 격자 층과 접촉한다. 몇몇 경우들에서, 복굴절 제어 층은 별도의 섹션으로 튀어나와(spit) 도파관의 서로 다른 표면들 상에 배치된다. 다수의 실시예들에서, 복굴절 층은 다수의 층들을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 본 발명은 1/4 파 또는 반파 지연을 제공할 수 있는 얇은 편광 제어 층을 제공한다. 편광 제어 층은 표준 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅 프로세스를 사용하여 격자 층 바로 위에 또는 도파관 기판들 중 하나 또는 둘 모두에 얇은 층으로서 구현될 수 있다.

일 그룹의 실시예들에서, 복굴절 제어 층은, 방향성 UV 광을 사용하여 3D로 정렬될 수 있는 액정 및 폴리머 네트워크들을 사용하는 재료들을 사용하여 형성된다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층은, 액정 폴리머(LCP: Liquid Crystal Polymer) 네트워크로 적어도 부분적으로 형성된다. 문헌에서 반응성 메소겐(reactive mesogen)들로 또한 지칭되었던 LCP들은, 예를 들어, 광-개시제들 및 방향성 UV 광의 존재하에 서로 중합하여 강체 네트워크(rigid network)를 형성하는, 반응성 아크릴레이트 말단기들을 포함하는 액정질 모노머(liquid crystalline monomer)들을 보유하는 중합가능한 액정들이다. 액정 분자들의 말단들의 상호 중합은 그들의 배향을 3-차원 패턴으로 동결(freeze)시킬 수 있다. 이 프로세스는 통상적으로, 액정 폴리머를 보유하는 재료 계를 기판 상에 코팅하고, 어닐링 이전에 방향성으로/공간적으로 제어가능한 UV 소스를 사용하여 LC 디렉터들을 선택적으로 정렬하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층은, 문헌에서 LPP(linearly polymerized photopolymer)로도 또한 지칭되는 광-정렬 층으로 적어도 부분적으로 형성된다. LPP는, LC 디렉터들을, 입사 선형 편광 UV 광에 평행하게 또는 수직으로 정렬하도록 구성될 수 있다. LPP는 산란 또는 다른 스퓨리어스 광학 효과(spurious optical effect)의 위험들을 최소화시키는 매우 얇은 층들 (통상적으로 50nm)로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 LCP, LPP 및 적어도 하나의 도펀트로 형성된다. LCP들 및 LPP들에 기초하는 복굴절 제어 층들은, 접힘 격자들 및 박막(2-4 마이크론)에 형성된 롤링된 K-벡터 격자들의 복잡한 3-차원 지오메트리 특징으로 LC 디렉터들을 정렬하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, LCP들 또는 LPP들에 기초한 복굴절 제어 층은, 이색성 염료들, 좁은 또는 광대역 콜레스테릭 필터들을 달성하기 위한 키랄(chiral) 도펀트들, 꼬인 지연제(twisted retarder)들, 또는 네거티브 c-플레이트 지연제들을 더 포함한다. 다수의 실시예들에서, LCP들 또는 LPP들에 기초한 복굴절 제어 층은 1/4 파 또는 반파 지연 층들을 제공한다.

일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 (도 4에 도시된 바와 같이) 등방성 및 이방성 지수 층들을 결합한 다층 구조에 의해 형성된다. 도 4에서, 다층 구조(400)는 등방성 층들(401, 402) 및 이방성 지수 층들(403, 404)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 다층 스택은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 몇 십개 또는 몇 백개의 층들과 같은 많은 수의 층들을 포함할 수 있다. 도 5는, 복굴절 격자 층(505)과 결합되는 등방성 층들(501, 502) 및 이방성 지수 층들(503, 504)을 포함하는 다층 구조(500)를 개념적으로 예시한다. 복굴절이 스택의 인접한 재료 층들 간의 면내 굴절률(in-plane refractive index)의 변화에 따를 때, P-편광된 광의 반사율의 개선된 제어를 달성하는 것이 가능하다. 일반적으로 등방성 재료들에서, 브루스터의 법칙(Brewster's law)은, 임의의 인터페이스에 대해, P-편광 반사율이 사라지는 입사 각도(브루스터의 각도)이 있음을 나타낸다. 그러나, 반사율은 다른 각도들에서 극적으로 증가할 수 있다. 브루스터 각도에 의해 부과되는 제한들은 Weber 등의 "Giant Birefringent Optics in Multilayer Polymer Mirrors"(Science, Vol.287, 2000년 3월 31일, 2451-2456 페이지에 공개됨)에서 논의되는 기본 원리들을 적용함으로써 해결될 수 있다. 등방성/이방성 지수 층들의 계들의 광학적 특징은 특정 다층 간섭 스택 설계가 아니라 계면 반사 및 위상 두께의 기본 물리학에 기초하기 때문에, 새로운 설계 자유도들이 가능하다. 특히 도파관 기판과 같은 고-지수 매체에 침지된(immersed) 복굴절 제어 층들에 대해 부르스터 각도 제한이 제거되면, 광각, 광대역 애플리케이션들을 위한 설계들이 단순화된다. 도파관 디스플레이들과 관련된 추가 이점은, 모든 입사 각도들 및 편광들에 대해 컬러 충실도가 유지될 수 있다는 것이다.

복굴절 격자는 통상적으로, 각도 파장의 함수들인 편광 회전 특성들을 갖는다. 복굴절 제어 층은 도파관의 각, 스펙트럼 또는 편광 특징들을 수정하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층과 광의 상호작용은 도파관을 따라 효과적인 각도 대역폭 변동을 제공할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 복굴절 제어 층과 광의 상호작용은 도파관을 따라 효과적인 스펙트럼 대역폭 변동을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복굴절 제어 층과 광의 상호작용은 도파관을 따라 편광 회전을 제공할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 격자 복굴절은, 격자 제조 동안 액정 폴리머 혼합물의 조성을 공간적으로 변화시킴으로써, 도파관에 걸쳐 변화하도록 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 도파관 기판의 평면에서 적어도 하나의 방향으로 복굴절 변동을 제공할 수 있다. 복굴절 제어 층은 또한, 도파관 내에서 (다른 편광들에 대해) 광학 투과를 최적화하기 위한 수단을 제공할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 도파관 기판의 평면에서 적어도 하나의 방향으로 투과 변동을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 도파관 기판의 평면에서 적어도 하나의 방향으로 빔 투과 또는 편광 회전 중 적어도 하나의 것에 대한 각도 의존성(angular dependence)을 제공할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 도파관 기판의 평면에서 적어도 하나의 방향으로 빔 투과 또는 편광 회전 중 적어도 하나의 것에 대한 스펙트럼 의존성(spectral dependence)을 제공할 수 있다.

다수의 실시예들에서, 복굴절 격자들은 넓은 범위의 도파관 아키텍처들에 입력 커플러들, 접힘 격자들 및 출력 격자들을 제공할 수 있다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 제어 층들을 갖는 이중 확장 도파관의 평면도를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 도파관(600)은, 각각, 편광 제어 층들(605, 606, 607)에 의해 오버레이되는 입력 격자(602), 접힘 격자(603) 및 출력 격자(604)를 보유하는 광학 기판(601)을 포함한다.

일부 실시예들에서, 본 발명은, 도파관과 함께 사용되는 외부 광학 엘리먼트의 복굴절의 밸런싱을 위해 도파관의 편광 출력을 수정하기 위한 편광-유지, 광각 복굴절 제어 층을 제공한다. 도 7은, 시준된 이미저리를 윈드스크린으로부터 아이박스에 반사시키는 자동차 FIUD들에 관한 본 발명의 실시예를 개념적으로 예시한다. 임의의 윈드스크린 곡률은 통상적으로, 수차들 및 다른 기하학적 왜곡을 유발할 것이며, 이는, 빔이 실질적으로 시준된 상태로 유지하는 것이 요구되는 특정 도파관 구현에서는 교정될 수 없다. 이 문제에 대한 한 가지 해결책은 도파관의 출력 표면 근처에, 종래의 굴절 엘리먼트 또는 회절 엘리먼트일 수 있는, 교정 엘리먼트를 장착하는 것이다. 이러한 구현들에서, 복굴절 교정 컴포넌트는 도파관으로부터 광선 경로들의 방해를 방지할 수 있고 무색(achromatic)일 수 있다. 사용되는 보상기 기술은 공간적으로 다양한 구성, 낮은 헤이즈 및 높은 투과를 제공할 수 있다. 도 7의 예시적인 실시예에서, 도파관(700)은 광학 기판(701)을 포함하며, 이는 이미지 변조 광(미도시)의 외부 소스로부터의 광(703)을 도파관의 TIR 경로(704)에 편향시키기 위한 격자 커플러(702), 제1 방향으로 빔 확장을 제공하고 도파관으로부터 광을 추출하기 위한 복굴절 격자(705), 및 복굴절 제어 층(706)을 보유한다. 장치(700)는 윈드스크린에서의 반사에 의해 유발되는 기하학적 왜곡들 및 다른 수차들을 교정하기 위해 도파관에 근접하게 배치되는 광학 엘리먼트(707)를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학 엘리먼트(707)는 굴절 렌즈이다. 다른 실시예들에서, 광학 엘리먼트(707)는 회절 렌즈일 수 있다. 충분한(generous) 아이 박스를 제공하는 광시야(wide field of view) FIUD들의 경우, 교정기는 통상적으로 수평 치수(대시 보드를 따라)가 400mm 만큼 큰 풋프린트를 가질 것이다. 그러나, 교정기가 플라스틱으로 몰딩되면, 복굴절을 겪을 경향이 있다. 따라서, 도 7의 실시예에서, 복굴절 제어 엘리먼트(706)는 광학 엘리먼트(707)에 의해 유발되는 격자 편광 및 편광 회전 둘 다를 보상하도록 설계될 수 있다. 다시 도 7을 참조하면, P 편광에 대응하는 초기 편광 상태가 가정된다. 복굴절 격자, 복굴절 제어 층 및 교정 엘리먼트들을 통한 전파 후의 편광 상태는 부호들 708-711로 표현된다. TIR 경로를 따라 격자 상호작용 영역 부근에서 복굴절 제어 층과 광의 상호작용은 편광 상태들로 표현된다. 도 7의 실시예에서, 격자에 의해 추출된 광(712, 713)의 편광은 입력 편광 벡터에 평행하게 정렬된다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층(706)은 출력 광 편광 벡터를 90도까지 회전시키도록 구성될 수 있다.

일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 기판들의 기계적, 열적 또는 전자기적 프로세싱을 사용하는 다양한 기술들에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 광학 기판의 표면에 걸쳐 공간적으로 변하는 기계적 응력을 가함으로써 형성된다. 도 8은 복굴절 제어 층(801)을 정렬하기 위한 장치(800)를 개념적으로 예시하며, 여기서는 802-805로 표시된 방향들로 힘들이 가해져 등-복굴절 윤곽들(806)이 생성된다. 다수의 실시예들에서, 예시된 힘들이 반드시 모든 층에 적용될 필요는 없다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층(801)은 광학 기판에 열적 구배(thermal gradient)들을 도입함으로써 형성된다. 다수의 실시예들에서, 복굴절 제어 층(801)은, 경화 동안 전기장 또는 자기장을 사용하여 LC 디렉터들이 정렬되는 HPDLC 격자에 의해 제공된다. 몇몇 실시예들에서, 상기 기술들 중 2개 이상이 결합될 수 있다.

복굴절 제어 층을 구현하는 도파관들의 제조

본 발명은 또한 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 보유하는 도파관을 제조하기 위한 방법들 및 장치를 제공한다. 다양한 예시적인 실시예들에 도시된 장치 및 방법들의 구성 및 배열은 단지 예시일 뿐이다. 본 개시내용에서는 단지 몇 가지 실시예들만이 상세하게 설명되었지만, 다수의 수정들이 가능하다(예를 들어, 프로세스의 효율 및 완성된 도파관의 품질을 개선하고, 프로세스 변동들을 최소화하고, 프로세스를 모니터리링하는 등을 위한 추가 단계들). 층의 형성을 언급하는 임의의 프로세스 단계는 그러한 다수의 층들을 커버하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 격자 층을 기록하는 프로세스 단계가 설명되는 경우, 이 단계는 2개 이상의 격자 층들을 보유하는 스택을 기록하는 것으로 연장될 수 있다. 따라서, 그러한 모든 수정들은, 본 개시내용의 범위내에 포함되는 것으로 의도된다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시예들에 따라 변하거나 재배열될 수 있다. 본 개시내용의 범위를 벗어남 없이, 예시적인 실시예들의 프로세스 장치의 설계, 작동 조건들 및 배열에서 다른 치환들, 수정들, 변경들 및 생략들이 이루어질 수 있다. 본 발명을 설명하기 위해, 프로세스들의 설명은 전술한 액정 폴리머 재료 계들에 기초한 복굴절 제어 층들을 언급할 것이다. 그러나, 프로세스들이 본원에서 설명되는 복굴절 제어 층의 구현들 중 임의의 것에 기초할 수 있다는 것이 설명으로부터 명확할 것이다.

도 9a-9f는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 보유하는 도파관을 제조하기 위한 프로세스 단계들 및 장치를 개념적으로 예시한다. 도 9a는 제1 투명 기판(901)을 제공하는 제1 단계(900)를 도시한다. 도 9b는 기판(901)에 홀로그래픽 기록 재료를 적용하기 위한 장치(910)를 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치(910)는 기판(901) 상에 격자 기록 재료 층(913)을 형성하는 스프레이 패턴(912)을 제공하는 코팅 장치(911)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 스프레이 패턴은 코팅될 표면에 걸쳐 스윕되거나(swept) 스텝핑되는 좁은 제트 또는 블레이드를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 스프레이 패턴은 표면의 넓은 구역들을 동시에 커버하기 위한 다이버전트 제트(divergent jet)를 포함할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 코팅 장치는 표면의 영역들의 선택적 코팅을 제공하기 위해 하나 이상의 마스크들과 함께 사용될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 코팅 장치는 산업-표준 표준 스핀-코팅 또는 잉크-젯 프린팅 프로세스들에 기초한다.

도 9c는 본 발명의 실시예에 따라 격자 층을 형성하기 위해 격자 기록 재료 층을 노출시키기 위한 장치(920)를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치(920)는 기록 재료에 격자를 접촉 복사(contact copy)하기 위한 마스터 격자(921) 및 레이저(922)를 보유한다. 도시된 바와 같이, 마스터 격자(921)는 입사광(923)을 회절시켜 제로 차수 광(924) 및 회절된 광(925)을 제공하며, 이들은 격자 재료 층 내에서 간섭하여 격자 층(926)을 형성한다. 장치는, 이로 제한되는 것은 아니지만, 더 높은 회절 차수들 또는 다른 소스들로부터의 미광을 극복하기 위한 광 정지부들 및 마스크들과 같은 추가 피처들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 다중화된 홀로그램들의 원리들을 사용하여 몇몇 격자들이 단일 층에 기록될 수 있다. 도 9d는 본 발명의 실시예에 따라 격자 층 상에 액정 폴리머 재료 층을 코팅하기 위한 장치(930)를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치(930)는 재료 층(933)을 형성하는 스프레이 패턴(932)을 전달하도록 구성된 코팅 장치(931)를 보유한다. 코팅 장치(931)는 격자 기록 재료를 적용하는 데 사용되는 코팅 장치와 유사한 피처들을 가질 수 있다. 도 9e는 본 발명의 실시예에 따른 정렬된 액정 폴리머 재료 층을 제공하기 위한 장치(940)를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치(940)는 정렬된 LC 폴리머 층(943)을 형성하기 위한 방향성 UV 광(942)을 제공하는 UV 소스(941)(주어진 애플리케이션의 특정 요구 사항들에 따라, 시준, 빔 조향 및 빔 성형 광학기를 포함할 수 있음)를 보유한다. 도 9f는 정렬된 액정 폴리머 층(943) 위에 제2 기판(951)을 적용하는 단계 이후의 완성된 도파관(950)을 개념적으로 예시한다.

일부 실시예들에서, 격자 기록 재료의 노출은 전술한 마스터링 프로세스 대신에 종래의 교차 빔 기록 절차들을 사용할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 격자 층의 추가 프로세싱은 어닐링, 열 프로세싱, 및/또는 격자 층의 광학적 특성들을 안정화시키기 위한 다른 프로세스들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 코팅들이 기판에 적용될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 보호 투명 층이 노출 후에 격자 층 위에 적용될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 액정 폴리머 재료는 위에서 논의된 LCP, LPP 재료 계들에 기초한다. 몇몇 실시예들에서, 액정 폴리머의 정렬은 UV 빔 방향에 평행한 액정 디렉터들의 정렬을 산출할 수 있다. 다른 실시예들에서, 정렬은 UV 빔 방향에 대해 90도이다. 일부 실시예들에서, 제2 투명 기판은 코팅 장치를 사용하여 적용되는 보호 층으로 대체될 수 있다.

도 10a-10f는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도파관의 외부 표면에 적용되는 복굴절 제어 층 및 회절 격자를 보유하는 도파관을 제조하기 위한 프로세스 단계들 및 장치를 개념적으로 예시한다. 도 10a는 본 발명의 실시예에 따른, 제1 투명 기판(1001)을 제공하는 제1 단계(1000)를 개념적으로 예시한다. 도 10b는 본 발명의 실시예에 따라 홀로그래픽 기록 재료를 기판에 적용하기 위한 장치(1010)를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치(1010)는 기판(1001) 상에 격자 기록 재료 층(1013)을 형성하는 스프레이 패턴(1012)을 제공하는 코팅 장치(1011)를 포함한다. 도 10c는 본 발명의 실시예에 따라 격자 층을 형성하기 위해 격자 기록 재료 층을 노출시키기 위한 장치(1020)를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치(1020)는 기록 재료에 격자를 접촉 복사하기 위한 마스터 격자(1021) 및 레이저(1022)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 마스터 격자(1021)는 레이저(1022)로부터의 광(1023)을 제로 차수 광(1024) 및 회절된 광(1025)으로 변환시키며, 이들은 격자 재료 층(1013) 내에서 간섭하여 격자 층(1026)을 형성한다. 도 10d는 본 발명의 실시예에 따라, 노출된 격자 층 위에 제2 기판(1031)을 적용하는 단계 이후의 부분적으로 완성된 도파관(1030)을 개념적으로 예시한다. 도 10e는 본 발명의 실시예에 따라 제2 기판 상에 액정 폴리머 재료 층을 코팅하기 위한 장치(1040)를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치(1040)는 재료 층(1043)을 형성하기 위해 스프레이 패턴(1042)을 전달하도록 구성된 스프레이 코팅기(1041)를 포함한다. 도 10f는 본 발명의 실시예에 따라 액정 폴리머 재료를 정렬하기 위한 장치(1050)를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치 (1050)는, 격자 층(1026)의 LC 디렉터들을 재정렬하도록 구성될 수 있는, 정렬된 액정 폴리머 층(1053)을 형성하기 위한 방향성 UV 광(1052)을 제공하는 UV 소스 (1051)를 포함한다.

도 11a-11f는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 보유하는 도파관을 제조하기 위한 프로세스 단계 및 장치를 개념적으로 예시한다. 전술한 실시들예들과 달리, 복굴절 제어 층을 형성하는 단계는 복굴절 제어 층 위에 형성된 격자 층의 기록 전에 수행될 수 있다. 도 11a는 제1 투명 기판(1101)을 제공하는 제1 단계(1100)를 개념적으로 예시한다. 도 11b는 본 발명의 실시예에 따라 제1 기판 상에 액정 폴리머 재료 층을 코팅하기 위한 장치(1110)를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치(1110)는 재료 층(1113)을 형성하기 위해 스프레이 패턴(11 12)을 전달하도록 구성된 코팅 장치(1111)를 포함한다. 도 11c는 본 발명의 실시예에 따라 액정 폴리머 재료를 정렬하기 위한 장치(1120)를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치(1120)는, 정렬된 액정 폴리머 층(1123)을 형성하기 위한 방향성 UV 광(1122)을 제공하는 UV 소스 (1121)를 포함한다. 도 11d는 본 발명의 실시예에 따라 홀로그래픽 기록 재료를 기판에 적용하기 위한 장치(1130)를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치(1130)는 액정 폴리머 층(1123)의 상부에 격자 기록 재료 층(1133)을 형성하기 위해 스프레이 패턴(1132)을 제공하기 위한 코팅 장치(1131)를 포함한다. 도 11e는 본 발명의 실시예에 따라 격자 층을 형성하기 위해 격자 기록 재료 층을 노출시키기 위한 장치(1140)를 개념적으로 예시한다. 예시적인 실시예에서, 장치(1140)는 기록 재료에 격자를 접촉 복사하기 위한 마스터 격자(1141) 및 레이저(1142)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 마스터 격자(1141)는 레이저로부터의 광(1142)을 제로 차수(1143) 및 회절된 광(1144)으로 변환시키며, 이들은 격자 재료 층(1133) 내에서 간섭하여 격자 층(1123)을 형성하며, 격자 층(1145)은 액정 폴리머 재료 층(1123)에 의해 정렬된다. 도 11f는 본 발명의 실시예에 따라, 노출된 격자 층 위에 제2 기판(1151)을 적용하는 단계 이후의 완성된 도파관(1150)을 개념적으로 예시한다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 보유하는 도파관을 제조하는 방법을 예시하는 흐름도를 개념적으로 예시한다. 도 12를 참조하면, 방법(1200)은 제1 투명 기판을 제공하는 단계(1201)를 포함한다. 격자 기록 재료 층이 기판 상에 증착될 수 있다(1202). 격자 기록 재료 층은 격자 층을 형성하도록 노출될 수 있다(1203). 액정 폴리머 재료 층이 격자 층 상에 증착될 수 있다(1204). 액정 폴리머 재료는 방향성 UV 광을 사용하여 정렬될 수 있다(1205). 제2 투명 기판이 정렬 층 위에 적용될 수 있다(1206).

도 13은 본 발명의 실시예에 따른, 도파관의 외부 표면에 적용되는 복굴절 제어 층 및 복굴절 격자를 보유하는 도파관을 제조하는 방법을 예시하는 흐름도를 개념적으로 예시한다. 도 13을 참조하면, 방법(1300)은 제1 투명 기판을 제공하는 단계(1301)를 포함한다. 격자 기록 재료 층이 기판 상에 증착될 수 있다(1302). 격자 기록 재료 층은 격자 층을 형성하도록 노출될 수 있다(1303). 제2 투명 기판이 노출된 격자 층 위에 적용될 수 있다(1304). 액정 폴리머 재료 층이 제2 투명 기판 상에 증착될 수 있다(1305). 액정 폴리머 재료는 방향성 UV 광을 사용하여 정렬될 수 있다(1306).

도 14는 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 보유하는 도파관을 제조하는 방법을 예시하는 흐름도를 개념적으로 예시하며, 여기서 복굴절 제어 층을 형성하는 것은 격자 층의 기록 이전에 수행된다. 도 14를 참조하면, 방법(1400)은 제1 투명 기판을 제공하는 단계(1401)를 포함한다. 액정 폴리머 재료 층이 기판 상에 증착될 수 있다(1402). 액정 폴리머 재료는 방향성 UV 광을 사용하여 정렬될 수 있다(1403). 격자 기록 재료 층이 정렬된 액정 폴리머 재료 상에 증착될 수 있다(1404). 격자 기록 재료 층은 격자 층을 형성하도록 노출될 수 있다(1405). 제2 투명 기판이 격자 층 위에 적용될 수 있다(1406).

도 12-14는 복굴절 격자 및 복굴절 제어 층을 보유하는 도파관을 제조하기 위한 특정 프로세스들을 예시하지만, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 그러한 도파관들을 형성하기 위해 다수의 다른 제조 프로세스들 및 장치가 구현될 수 있다. 예를 들어, 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시예들에 따라 변화되거나 재배열될 수 있다. 본 개시내용의 범위를 벗어남 없이, 예시적인 실시예들의 프로세스 장치의 설계, 작동 조건들 및 배열에서 다른 대체들, 수정들, 변경들 및 생략들이 이루어질 수 있다.

추가 실시예들 및 애플리케이션들

일부 실시예들에서, 격자 복굴절에 대한 편광 보상을 갖는 편광-유지, 광각, 및 고-반사 도파관 클래딩이 구현될 수 있다. 도 15는 그러한 일 실시예를 도시한다. 예시적인 실시예에서, 도파관(1500)은 복굴절 격자(1502)를 보유하는 도파관 기판(1501) 및 도파관 기판(1501)을 오버레이하는 복굴절 제어 층(1503)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 도파관 기판(1501)과의 인터페이스에서 복굴절 제어 층(1503)과 상호작용하는 가이드된 광(1504)은 부호 1505로 표시된 상태(격자와의 이전 상호작용으로부터 발생함)에서 1506으로 표시된 상태(예를 들어, 격자를 따라 미리규정된 일부 포인트에서 미리규정된 회절 효율을 제공하기 위한 배향을 갖는, 격자와의 다음 상호작용을 위한 원하는 방향을 가짐)로 편광 회전된다.

다수의 실시예들에서, 도파관을 그의 환경으로부터 격리하면서 도파관 빔들의 효과적인 한정을 보장하기 위한 컴팩트하고 효과적인 복굴절 제어 층이 구현될 수 있다. 도 16은 그러한 일 실시예를 예시한다. 예시적인 실시예에서, 환경적으로 격리된 도파관(1600)은 복굴절 격자(1602)를 보유하는 도파관 기판(1601) 및 도파관 기판(1601)을 오버레이하는 복굴절 제어 층(1603)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 도파관 기판(1601)과의 인터페이스에서 복굴절 제어 층(1603)과 상호작용하는 가이드된 광(1604)은 부호 1605로 표시된 상태에서 1606으로 표시된 상태로 편광 회전된다. 도파관의 환경적 격리는, 복굴절 제어 층(1603)과 도파관 기판(1601) 사이의 인터페이스(1607)에서 내부 전반사가 발생하도록 복굴절 제어 층(1603)을 설계함으로써 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 환경적 격리는, 가이드된 광의 작은 부분만이 복굴절 제어 층의 에어 인터페이스에서 반사되도록 하는 구배 지수 특징들을 갖게 복굴절 제어 층을 설계함으로써 제공된다. 몇몇 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 별도의 GRIN 층을 포함할 수 있다. 다수의 실시예들에서, GRIN 층은, "구배 지수 광학기를 사용하는 근안 디스플레이"란 명칭의 미국 가특허출원 62/123,282 및 "구배 지수 광학기를 사용하는 도파관 디스플레이"란 명칭의 미국 특허 가특허출원 62/124,550에 개시된 실시예들에 기초할 수 있다.

도 17은, 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 제어 층(1702)을 오버레이하는 복굴절 격자 층(1701)을 보유하는 구조를 제조하기 위해 전술한 방법들 중 일부와 함께 사용될 수 있는 장치(1700)를 개념적으로 예시한다. 도 17에서, 복굴절 제어 층을 지지하는 기판은 도시되지 않는다. 광선들(1703, 1704)로 표시된 구성 빔들은 마스터 격자 또는 교차 빔 홀로그래픽 기록 설정에 의해 제공될 수 있다. 도시된 바와 같이, 구성 빔들은 복굴절 제어 층(1702)을 통해 전파된다. 다수의 실시예들에서, 구성 빔들은 가시 대역에 있다. 일부 실시예들에서, 구성 빔들은 UV 대역에 있다.

도 18은, 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 격자 층(1802)을 오버레이하는 복굴절 제어 층(1801)을 보유하는 구조를 제조하기 위해 전술한 방법들 중 일부와 함께 사용될 수 있는 장치(1800)를 개념적으로 예시한다. 도 18에서, 격자 층을 지지하는 기판은 도시되지 않는다. 기록 빔의 방향은 1803으로 표시된다. 다수의 실시예들에서 복굴절 제어 층은 정렬을 위해 지향성 UV 빔을 사용하는 액정 폴리머 재료 계이다. 격자가 폴리머 및 액정 재료 계에 기록된 일부 실시예들에서, 노출된 격자는, 액정의 등방성 상을 효과적으로 생성하기 위해, 열, 전기장 또는 자기장 또는 광과 같은 외부 자극들을 적용함으로써 복굴절 제어 층을 정렬하는 프로세스 동안 소거될 수 있다.

도 19는 격자 층(1903)이 끼워진 기판들(1901, 1902)을 보유하는 도파관(1900)의 단면도를 개념적으로 예시한다. 도시된 바와 같이, 소스(1904)는 시준된 광(1905a)을 방출하며, 이는 광선(1905B, 1905C)으로 표시된 내부 전반사(TIR) 경로에 격자 층에 의해 커플링되고, 출력 광선 경로(1905d)로 격자 층(1903)에 의해 추출된다. 예시적인 실시예들에서, 소스(1904)는, 이로 제한되는 것은 아니지만, 레이저 또는 LED를 포함하는 다양한 광원들일 수 있다.

도 20은, 본 발명의 실시예에 따른, 도 19의 도파관과 유사한 도파관을 개념적으로 예시하는데, 여기서 1/4 파 편광 층은, 기판(1902)이, 1/4 파 막(2001)이 끼워져 있는 기판들(2002, 2003)로 대체됨으로써 삽입된다. 1/4 파 편광 층은 두 가지 방식들에서 홀로그래픽 도파관 설계에 유익할 수 있다. 첫째, 롤링된 K-벡터(RKV: rolled K-vector) 입력 격자의 재상호작용(아웃 커플링)을 줄여 입력 격자의 전체 커플링 효율을 높일 수 있다. 둘째, 접힘 격자 및 출력 격자로 들어가는 광의 편광을 지속적으로 혼합하여 더 나은 추출을 제공할 수 있다. 1/4 파 층은 입력 격자로부터의 광학을 따라 도파관 표면 상에 위치될 수 있다. 전형적으로, 도파관 표면은 도파관의 TIR 표면 또는 도파관 내부에 형성된 일부 중간 표면 중 하나를 포함할 수 있다. 1/4 파 층의 광학적 특징들은 "도파관 각도들"(즉, TIR 각도를 넘어선 유리에서의 각도)에 최적화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 중심 필드는 (파장 532nm에서 대략 1.51의 굴절률에 해당하는) 유리에서 대략 55도로 설계된다. 다수의 실시예들에서, 적색, 녹색 및 청색을 투과시키는 도파관들의 최적 성능을 위해 적색, 녹색 및 청색에 대한 최적화가 사용될 수 있다. 설명될 실시예들에서 알 수 있는 바와 같이, 도파관 내에 1/4 파 막을 포함시키는 여러 상이한 방식들이 존재한다. 다음 실시예에서, 일반적으로 액정 폴리머(LCP) 재료에 의해 제공되는 1/4 파 편광 층이 참조된다. 그러나, 다른 재료들이 본 발명의 애플리케이션들에 사용된다는 것을 이해해야 한다.

도 21은, 본 발명의 실시예에 따른, RKV 격자를 갖는 1/4 파 편광 층의 사용이 도파관의 입력 격자 부분에서 전파 경로를 따라 광의 원치않는 추출의 문제를 어떻게 극복할 수 있는지를 예시하는, 도파관의 일부를 도시하는 개략적 단면도(2100)를 개념적으로 예시한다. P-편광된 광(2101A)을 포함하는 입력 광이 도파관에서 광선들(2101B-2101L)에 의해 표시되는 TIR 경로에 격자 층에 의해 커플링되는 하나의 광선 경로가 예시된다. 도파관 격자는, 도파관의 길이를 따라 3개의 포인트들에서 발생하는 예들을 벡터들(2102A-2102C)로 개략적으로 예시하는 롤링된 K-벡터를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 입력 격자에 의해 TIR에 회절방식으로 커플링되는 광(2101A)은 격자에 대해 P-편광된다. 다수의 실시예들에서, TIR 각도는 유리에서 공칭적으로 55도일 수 있다. 1/4 파 층을 통한 투과시, 광의 편광은 P 편광된 것에서 원형 편광된 것(2101C)으로 변경된다. 도파관의 하부 표면에서 TIR 후, 편광은 상반되는 의미의 원형 편광된 광(2101D)으로 변경되어, 그의 상향 경로에서 1/4 파 층을 가로지른 후 격자에 대해 S-편광된다(2101E). S-편광된 광은, 이 광이 오프-브래그이면서 또한 "오프 편광"(격자가 S에 대해 제로 또는 낮은 회절 효율을 갖기 때문)이기 때문에, 편차(2101F) 또는 상당한 손실없이 격자를 통과한다. 그런 다음, 이 광은 자신의 S-편광을 유지하면서 다시 TIR(2101G)을 거친다. 따라서, 광(2101G)은 이제, 온-브래그이지만 P-편광 민감 격자에 대해서는 여전히 오프 편광이다. 그러므로, 광은 회절(2101H) 없이 격자를 통과한다. 이 위치에서, RKV(2102B)는 I/P 격자 상에서 광 진입 포인트 근처에 있는 일 포인트(2102A)에서 약간 롤링되었다. 광이 "온 편광"이었다면, RKV의 "롤" 효과는 작았을 것이므로 광은 강하게 아웃-커플링되었을 것이다. 격자를 통과하는 S-편광 광은, 광선들(2101B-2101G)에 의해 예시된 사이클과 유사한 방식으로 또 다른 전체 사이클(2101H-2101M)을 거친 다음, 격자 영역에서 K-벡터(2102C)와의 그 다음의(2101M)의 온-브래그 상호작용을 위해 P-편광된 상태로 복귀한다. 이때, 광은 도파관 아래로 두 번의 완전한 TIR 바운스 사이클들을 수행하여, 격자 및 K-벡터에서 입사 각도의 각도 간격(angular separation)을 증가시키며, 이는 온-브래그 상호작용을 크게 감소시킨다.

도 21의 실시예를 더 명확히 하기 위해, 20mm 프로젝터 릴리프(입력 격자로부터 프로젝터의 거리) 및 공칭 4.3mm 직경의 프로젝터 출사 퓨필(exit pupil)을 갖는 1mm 두께 도파관에서 55도 TIR 각도 광이 고려된다: 격자와의 첫 번째 상호작용은 도파관에서 대략 2.85mm 아래로 발생한다. 이는 20mm 프로젝터 릴리프에서 8.1도 각도와 같다. 비교를 위해, 통상적인 1.6um 격자의 FWHM 각도 대역폭은, (규정에 따라) 공기 중에서 약 12도인데, 즉, 퓨필에 의해 대해진(subtended) 각도는 렌즈의 반-폭(semi-width)보다 크지 않다. 이는, 위에서 설명한 바와 같이 편광이 S-편광된 것으로 변경되지 않으면, 강한 아웃커플링으로 이어진다. 실제로, 1/4 파 층의 사용으로 TIR 길이가 대략 5.7mm로 두 배가 된다. 이 오프셋은 약 15.9도와 같으며, 이는 대부분의 도파관 격자들의 각도 대역폭보다 크고, 이로써 도파관으로부터의 아웃커플링 재상호작용 손실들이 감소된다.

도 22는 본 발명의 실시예에 따른, 지수 매칭 오일 층(2201)에 의해 분리된 LCP 1/4 파 셀 및 반응성 모노머 액정 혼합물(RMLCM: reactive monomer liquid crystal mixture) 셀을 보유하는 편광 층 아키텍처(2200)를 개념적으로 예시한다. LCP 셀은 기판(2202) 및 LCP 막(2203)을 포함한다. RMLCM 셀은 RMLCM 층(2206)이 끼워진 기판들(2204, 2205)을 포함한다. 이 구성은, 지수 매칭 오일 접착이 비영구적 접착을 제공하여, 테스트 목적으로 편광 셀을 설치 및 제거할 수 있게 한다는 장점이 있다. 또한, 반-영구적인 접착을 위해 에지들에 접착제가 적용될(덧붙여질) 수 있다. 일부 실시예들에서, 오일 층은 오일로 채워진 셀을 사용하여 제공될 수 있다.

도 23은 본 발명의 실시예에 따른, 베어 LCP 막(2302)과 직접 접촉하는 RMLCM 격자 재료 층(2301)을 갖는, 격자 셀에 기초한 편광 아키텍처(2300)의 예를 개념적으로 예시한다. 2개의 막들은 기판들(2303, 2304)에 끼워진다. 이는, LCP 층을 구현하기 위한 간단하고 비용-효과적인 해결책이다. 스페이서 비드(spacer bead)들을 사용하여 RMLCM 층의 두께 제어를 유지하는 것은, 비드들이 LCP 층에 직접 내장되어 있는 경우에 어려울 수 있다. 도 23의 실시예는 RMLCM 층과 LCP 층 간의 유해한 상호작용들을 피하기 위해 RMLCM 및 LCP의 재료 특성들의 신중한 매칭을 요구할 수 있다. 다수의 실시예들에서, RMLCM 층의 홀로그래픽 노출은 RMLCM에 직접 적용될 수 있으며 LCP 층을 거칠 필요가 없다. 일부 실시예들에서, LCP 층을 통한 노출 구성이 불가피하다면, LCP 층의 편광 회전에 대한 사전-보상이 이루어질 수 있다.

도 24는 본 발명의 실시예에 따른, 베어 LCP 층이 베어 RMLCM 층에 결합되는 편광 층 아키텍처(2400)의 예를 개략적으로 도시하는 단면도를 개념적으로 예시한다. 장치는 상부 기판(2401), 베어 LCP 막(2402), 접착 층(2403), 노출되는 RMLCM 층(2404) 및 하부 기판(2405)을 포함한다. 다수의 실시예들에서, 접착 층은 Norland NOA65 접착제 또는 유사한 접착제일 수 있다.

도 25는 본 발명의 실시예에 따른, 편광 층으로서 RMLCM 층을 사용하는 편광 층 아키텍처(2500)의 예를 개략적으로 도시하는 단면도를 개념적으로 예시한다. 장치는 상부 기판(2501), 상부 RMLCM 층(2502), 투명 스페이서(2503), 하부 RMLCM 층(2504) 및 하부 기판(2505)을 포함한다. RMLCM 층들 중 하나는, RMLCM 재료들의 고유한 복굴절 특성들을 사용하여, 격자 재료로서뿐만 아니라 편광 회전 층으로서도 사용될 수 있다. '편광 회전 격자'는 그의 회절이 최소화되는 주기(period) 및/또는 k-벡터 방향을 가져야 한다. 일부 실시예들에서, RMLCM 층은 서브파장 격자로서 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, RMCM 층은, 경화 후에 층이 제거되고 다른 곳에 다시 적용될 수 있도록, 2 개의 릴리즈(release) 층들 사이에 끼워지게 제공될 수 있다.

도 26은 본 발명의 실시예에 따른, 복굴절 격자에 의해 유발되는 편광 회전을 보상하기 위한 피처를 포함하는 편광 층 아키텍처(2600)의 예를 개념적으로 예시한다. 장치는 상부 기판(2601), 편광 제어 층(2602), 투명 기판(2603), 격자 층(2604) 및 하부 기판(2605)을 포함한다. 격자 층은, 클리어 영역(2607)에 의해 분리되는 제1 격자(2606A) 및 제2 격자(2606B)를 보유한다. 일부 실시예들에서, 클리어 영역은 기판의 굴절률과 유사한 굴절률을 갖는 폴리머일 수 있다. 다수의 실시예들에서, 다른 낮은 굴절률 재료들이 클리어 영역을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 편광 제어 층은 1/4 파 지연 영역들(2608A, 2608B) 및 편광 보상 영역을 포함하며, 이는 (가이드 광이 격자(2606A)에서 격자(2606B)로 전파되는 경우) 복굴절 격자(2606A)에 의해 유발되는 편광 회전을 밸런싱한다.

도 27은 본 발명의 실시예에 따른, 도 26의 실시예의 피처들을 포함하는 도파관 디스플레이(2700)를 개략적으로 도시하는 평면도를 개념적으로 예시한다. 도파관 디스플레이(2700)는 도파관 기판(2701), 입력 격자(2702), 접힘 격자(2703) 및 출력 격자(2704)를 포함한다. 편광 제어 영역들(2705, 2706)은 도 26의 실시예의 원리에 따라 격자 탈편광(grating depolarization)에 대한 보상을 적용한다.

도 28은 본 발명의 실시예에 따른, 상부 기판(2801), 하드 캡슐화 층(2803)을 갖는 LCP 층(2802), RMLCM 층(2804), 및 하부 기판(2805)을 보유하는 편광 층 아키텍처(2800)의 예를 개략적으로 도시하는 단면도를 개념적으로 예시한다. 다수의 실시예들에서, 하드 캡슐화 층 또는 막은 기계적 접촉으로부터 섬세한 LCP 막을 보호하도록 설계될 수 있고, 이로써, 표준 세정 절차들이 막을 손상시키지 않게 될 것이다. 유리하게, 하드 캡슐화 층은 라미네이션 프로세스를 통해 스페이서 비드들이 밀려 들어가는 것에 저항할 뿐만 아니라 지수 매칭 오일 및 접착제에 화학적으로 저항하는 재료를 사용할 수 있다.

도 29는 본 발명의 실시예에 따른, 상부 기판(2901), 소프트 캡슐화 층(2903)을 갖는 LCP 층(2902), RMLCM 층(2904), 및 하부 기판(2905)을 보유하는 편광 층 아키텍처(2900)의 예를 개략적으로 도시하는 단면도를 개념적으로 예시한다. 편광 정렬 막은 섬세한 LCP 막을 기계적 접촉으로부터 보호하도록 설계된 소프트 캡슐화 층 또는 막으로 캡슐화될 수 있고, 이로써, 예를 들어, 이소-프로필 알코올을 사용한 드래그 와이핑(drag wiping)과 같은 표준 세정 절차들이 막을 손상시키지 않게 될 것이다. 일부 실시예들에서, 소프트 캡슐화는 라미네이션 프로세스 동안 스페이서 비드들에 대한 약간의 저항성을 제공할 수 있다.

도 30은 본 발명의 실시예에 따른, 2-영역 폴리머 막의 제1 예(3000)를 개략적으로 도시하는 평면도를 개념적으로 예시한다. 이 예는 77.2mm x 47.2mm 치수들의 0.5mm 두께 Eagle XG 기판에 의해 지지되는 비-캡슐화 LCP 막(3001)을 사용한다. 영역 1은, 524nm 파장에 대해, 수평에서 75° 고속 축을, 그리고 55° 유리내(in-glass) 각도, 45° 타원도 ± 5°에서의 1/4 파 지연을 특징으로 한다. 영역 2는, 524nm 파장에 대해, 수평에서 105° 고속 축을, 그리고 55°유리내 각도, 45° 타원도 ± 5°에서의 1/4 파 지연을 특징으로 한다. 통상적으로, 영역 1과 영역 2는 수평으로 ±2mm의 중간 포인트까지 연장된다.

도 31은 본 발명의 실시예에 따른, 2-영역 폴리머 막의 제2 예(3100)를 개략적으로 도시하는 평면도를 개념적으로 예시한다. 이 예는 보호 막(3102)에 의한 LCP 층(3101)의 캡슐화를 사용하며, 상기 층들은 77.2mm x 47.2mm 치수들의 0.5mm 두께 Eagle XG 기판에 의해 지지된다. 영역 1은, 524nm 파장에 대해, 수평에서 75° 고속 축을, 그리고 55° 유리내 각도, 45° 타원도 ± 5°에서의 1/4 파 지연을 특징으로 한다. 영역 2는, 524nm 파장에 대해, 수평에서 105° 고속 축을, 그리고 55° 유리내 각도, 45° 타원도 ± 5°에서의 1/4 파 지연을 특징으로 한다. 통상적으로, 영역 1과 영역 2는 수평으로 ±2mm의 중간 포인트까지 연장된다. 캡슐화 층은, 굴절률이 1.516인 Cargille Series A와 같은 오일 층으로 커버될 때 성능이 영향을 받지 않도록, 편광 층을 밀봉할 수 있다. 캡슐화 층은, 액정-기반 광중합체의 추가 층에 의해 커버될 때 성능이 영향을 받지 않도록, 편광 층을 밀봉할 수 있다.

도 32는 본 발명의 실시예에 따른, 2-영역 폴리머 막의 제3 예(3200)를 개략적으로 도시하는 평면도를 개념적으로 예시한다. 이 예에서는 LCP의 유리 캡슐화를 사용한다. 77.2 mm x 47.2 mm 치수들의 0.5 mm 두께 Eagle XG 기판은 LCP 층(3201), 접착 층(3202) 및 0.2 mm 두께의 Willow 유리 커버(3203)를 지지한다. 영역 1은, 524nm 파장에 대해, 수평에서 75° 고속 축을, 그리고 55° 유리내 각도, 45° 타원도 ± 5°에서의 1/4 파 지연을 특징으로 한다. 영역 2는, 524nm 파장에 대해, 수평에서 105° 고속 축을, 그리고 55° 유리내 각도, 45° 타원도 ± 5°에서의 1/4 파 지연을 특징으로 한다. 유리하게, LCP의 캡슐화를 위한 유리는 0.5mm EagleXG 또는 0.2mm Willow 유리이다. 통상적으로, 영역 1과 영역 2는 수평으로 ±2mm의 중간 포인트까지 연장된다.

도 33은 본 발명의 실시예에 따른, 도 30-도 32에 예시된 실시예들을 위한 클리어 어퍼처 레이아웃(3300)을 도시하는 도면을 개념적으로 예시한다. 클리어 어퍼처는 점선으로 강조 표시된다. 모든 치수들은 mm 단위이다.

도 34는 본 발명의 실시예에 따른, 각각의 격자에 대한 K-벡터들 및 정렬 층 고속 축 방향들을 포함하는, 도 30-도 33의 실시예들에 기초한 입력 격자(3402), 접힘 격자(3403) 및 출력 격자(3404)를 보유하는 도파관(3401)을 개념적으로 도시하는 평면도(3400)를 개념적으로 예시한다. 도 34에 도시된 바와 같이, K-벡터 및 고속 축 방향들은 입력 격자 K-벡터에 대해 30도; 접힘 격자 K- 벡터에 대해 270도; 그리고 출력 격자 K-벡터에 대해 150도이다.

상기 설명은 LCP 층(또는 등가 지연 층)이 도파관 구조에서 RMLCM 층과 결합될 수 있는 가능한 실시예들 중 일부만을 커버한다. 전술한 실시예들 중 다수에서, 기판들은 0.5mm 두께의 Corning Eagle XG 유리로 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 더 얇거나 더 두꺼운 기판들이 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 기판들은 플라스틱으로 제조될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 상기 기판들에 의해 캡슐화된 기판들 및 광학 층들은 만곡될 수 있다. 실시예들 중 임의의 실시예에는, 프로세싱 및 처리 중에 발생되는 화학적 오염 또는 손상으로부터의 보호를 위해 추가 층들이 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 요구되는 도파관 두께를 달성하기 위해 추가의 기판 층들이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 조명 균질화 스펙트럼 필터링, 각도 선택 필터링, 미광 제어 및 디밴딩의 기능들 중 적어도 하나를 수행하기 위해 추가 층들이 제공될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 베어 LCP 층은 노출된 베어 RMLCM 층에 직접 결합될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 중간 기판은 LCP 층과 RMLCM 층 사이에 배치될 수 있다. 다수의 실시예들에서, LCP 층은 비노출 RMLCM 재료 층과 결합될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 캡슐화된 또는 캡슐화되지 않은 LCP 층들은, < 0.25 %, 바람직하게는 0.1 % 이하의 헤이즈 특징들을 가질 수 있다. 인용된 헤이즈 특징들은 벌크 재료 산란에 기초하며 침지시 대부분 손실되는 표면 산란 손실들과 무관하다는 것이 주목되어야 한다. LCP 층 및 캡슐화 층은 100C 노출(열 UM 노출들의 경우, >80C)을 견딜 수 있다. 많은 실시예들에서, LCP 캡슐화 층은 층 세정을 허용하는 드래그 와이프 저항성일 수 있다. 전술한 실시예들에서, 일정한 지연이 있을 수 있고 막 클리어 어퍼처 내에는 어떠한 기포들 또는 공극들도 없을 수 있다. LCP 층 및 접착 층은 도파관 기판들에 의해 충족하는 광학 평탄도 기준과 매칭될 수 있다.

본 발명의 원리들에 따른 컬러 도파관은 전형적으로 단색(monochrome) 도파관들의 스택을 포함할 것이다. 이 설계는 적색, 녹색 및 청색 도파관 층들을 사용하거나, 또는 대안적으로 적색 및 청색/녹색 층들을 사용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자들은 모두 패시브이며, 즉 비-스위칭된다. 일부 실시예들에서, 격자들 중 적어도 하나는 스위칭된다. 일부 실시예들에서, 각각의 층에서의 입력 격자들은 도파관 층들 간의 컬러 혼선을 피하도록 스위칭가능하다. 일부 실시예들에서, 적색과 청색 그리고 청색과 녹색 도파관들의 입력 격자 영역들 사이에 이색성 필터(dichroic filter)들을 배치함으로써, 컬러 혼선이 방지된다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층의 두께는, 도파관 디스플레이의 스펙트럼 대역폭에 걸쳐 균일한 복굴절 보상을 제공하도록, 도파관 내에서 전파되는 광의 파장들에 대해 최적화된다. 도파관 디스플레이들에 통상적으로 사용되는 적색, 녹색, 청색 파장들에 대한 파장들 및 스펙트럼 대역폭 대역들은, 적색: 626nm ± 9nm, 녹색: 522nm ± 18nm, 및 청색: 452nm ± 11nm이다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층의 두께는 삼색 광에 대해 최적화된다.

다수의 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 HPDLC에 기록된 서브파장 격자에 의해 제공된다. 이러한 격자들은 형태 복굴절(form birefringence)의 현상을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 1/4 파 및 반파 지연을 포함하는 다양한 편광 기능들을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층은, 편광된 또는 비편광된 광으로 아조-염료 도핑된 정렬 층(azo-dye doped alignment layer)을 조명함으로써 LC 디렉터들이 정렬되는 액정 매체에 의해 제공된다. 다수의 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 서브마이크론 분해능 스텝들을 갖는 LC 디렉터 배향 패턴들을 제공하도록 패터닝된다. 동일한 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 LC 디렉터 배향들의 연속적인 변동을 제공하도록 프로세싱된다. 몇몇 실시예들에서, 전술한 기술들 중 하나 이상의 것들을 결합함으로써 제공되는 복굴절 제어 층은 러빙 프로세스 또는 폴리이미드 정렬 층과 결합된다. 일부 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 굴절력(optical power)을 제공한다. 다수의 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 구배 지수 구조를 제공한다. 몇몇 실시예들에서, 복굴절 제어 층은 적어도 하나의 HPDLC 격자 및 적어도 하나의 정렬 층을 보유하는 스택에 의해 제공된다. 다수의 실시예들에서, 복굴절 격자는 롤링된 k-벡터들을 가질 수 있다. K- 벡터는, 주어진 범위의 입력 각도 및 회절 각도에 대한 광학 효율을 결정하는 격자 평면들 (또는 프린지들)에 수직으로 정렬된 벡터이다. K-벡터들의 롤링은, 도파관 두께를 증가시킬 필요없이 격자의 각도 대역폭을 확장시킬 수 있게 한다. 다수의 실시예들에서, 복굴절 격자는 출사 퓨필 확장을 제공하기 위한 접힘 격자이다. 접힘 격자는, "도파관 디스플레이"라는 명칭의 PCT 출원번호 PCT/GB2016000181에 개시된 실시예들 및 위에 제공된 다른 인용문들에서 논의된 실시예들 중 임의의 것에 기초할 수 있다.

일부 실시예들에서, 장치는 레이저 밴딩의 문제를 극복하기 위해 도파관 설계에 사용된다. 본 발명의 원리들에 따른 도파관은, 입력 격자가 TIR 각도의 함수인 효과적인 입력 어퍼처를 갖도록, 도파관에 커플링된 광을 구성하기 위한 퓨필 시프팅 수단을 제공할 수 있다. 퓨필 시프팅 수단의 몇몇 실시예들이 설명될 것이다. 퓨필 시프팅 수단의 효과는, 출력 격자에 의한 도파관으로부터의 연속적인 광 추출들이 통합되어 입력 격자에서 임의의 광 입사 각도에 대해 실질적으로 평평한 조명 프로파일을 제공한다는 것이다. 퓨필 시프팅 수단은, 입사 광 각도의 함수로서 3D 공간에서 진폭, 편광, 위상 및 파면 변위 중 적어도 하나를 변화시키기 위해 복굴절 제어 층을 사용하여 구현될 수 있다. 각각의 경우에, 이 효과는 입력 격자에서의 임의의 광 입사 각도에 대해 출력 격자에 걸쳐 균일한 추출을 제공하는 효과적인 어퍼처를 제공하는 것이다. 일부 실시예들에서, 퓨필 시프팅 수단은, "도파관 디스플레이"란 명칭의 PCT 출원번호 PCT/GB2016000181(이로써, 이의 개시내용은 전체가 본원에 포함됨)에 개시된 것들과 유사한 실시예들과 같이, 다양한 실시예들에 따라, 마이크로디스플레이 패널의 일 측상에서의 평활하게 변하는 높은 NA(numerical aperture)로부터 다른 측상에서의 낮은 NA까지의 범위의 NA 변동을 갖도록 입력 이미지 생성기의 광학기들을 설계함으로써 적어도 부분적으로 제공된다. 통상적으로, 마이크로 디스플레이는 반사형 디바이스이다.

일부 실시예들에서, 격자 층은 별도의 층으로 분할될 수 있다. 그런 다음, 다수의 층들이 단일 도파관 기판으로 함께 적층될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 격자 층은, 단일 기판 도파관을 형성하기 위해 함께 적층되는, 입력 커플러, 접힘 격자 및 출력 격자(또는 그 일부들)를 비롯한, 몇 개의 피스들을 보유한다. 이 피스들은 광학 아교제(optical glue) 또는 이 피스들의 굴절률과 매칭하는 굴절률의 다른 투명한 재료에 의해 분리될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 격자 층은, 원하는 격자 두께의 셀을 생성함으로써 그리고 입력 커플러, 접힘 격자 및 출력 격자 각각에 대한 SBG 재료로 각각의 셀을 진공 충전함으로써 셀 제조 프로세스를 통해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 셀은, 입력 커플러, 접힘 격자 및 출력 격자에 대한 원하는 격자 두께를 규정하는 갭들이 유리 플레이트들 사이에 있게, 다수의 유리 플레이트들을 포지셔닝시킴으로써 형성된다. 일 실시예에서, 하나의 셀은, 개별 어퍼처들이 SBG 재료의 상이한 포켓들로 채워지도록, 다수의 어퍼처들로 제조될 수 있다. 그런 다음, 임의의 개재(intervening) 공간들이, 개별 구역들을 규정하는 분리 재료(예를 들어, 아교제, 오일 등)에 의해 분리될 수 있다. 일 실시예에서, SBG 재료는 기판 상에 스핀-코팅된 다음 재료의 경화 후 제2 기판에 의해 커버될 수 있다. 접힘 격자를 사용함으로써, 도파관 디스플레이는 유리하게, 일부 실시예들에 따라 정보를 디스플레이하는 이전의 계들 및 방법들보다 적은 층들을 필요로 한다. 또한, 접힘 격자를 사용함으로써, 광은 이중 퓨필 확장을 달성하면서 도파관 외부 표면들에 의해 규정되는 단일 직사각형 프리즘에서 도파관 내 내부 전반사에 의해 이동할 수 있다. 다른 실시예에서, 입력 커플러, 격자들은 홀로그래픽 파면을 생성하기 위해 기판 내에서 일정 각도로 두 개의 광파들을 간섭시킴으로써 생성될 수 있으며, 이로써 도파관 기판에 원하는 각도로 설정되는 밝은 프린지 및 어두운 프린지가 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주어진 층에서의 격자는 격자 구역에 걸쳐 기록 레이저 빔들을 스캐닝하거나 스텝핑함으로써 단계적으로 기록된다. 일부 실시예들에서, 격자들은 홀로그래픽 프린팅 산업에서 현재 사용되는 마스터링 및 접촉 복사 프로세스를 사용하여 기록된다.

다수의 실시예들에서, 격자들은 이미 논의된 바와 같이 홀로 그래픽 폴리머 분산형 액정(HPDLC: holographic polymer dispersed liquid crystal)에 기록된 브래그 격자들이지만, SBG들은 또한 다른 재료들에도 기록될 수 있다. 일 실시예에서, SBG들은 액체 폴리머에 분산된 고체 액정들의 매트릭스를 갖는, POLICRYPS 또는 POLIPHEM과 같은 균일한 변조 재료에 기록된다. SBG들은 본질적으로 스위칭 또는 비-스위칭될 수 있다. 그 비-스위칭 형태에서, SBG는 그의 액정 컴포넌트으로 인해 높은 굴절률 변조를 제공할 수 있다는 점에서 종래의 홀로그래픽 광중합체 재료들에 비해 장점이 있다. 예시적인 균일 변조 액정-중합체 재료 계들은 미국 특허 출원 공개번호 US2007/0019152(Caputo 등) 및 PCT 출원번호 PCT/EP2005/006950(Stumpe 등)에 개시되며, 이 둘 다 전체적으로 인용에 의해 본원에 포함된다. 균일한 변조 격자들은 높은 굴절률 변조(및, 이에 따른 높은 회절 효율) 및 낮은 산란을 특징으로 한다. 일부 실시예들에서, 격자들 중 적어도 하나는 표면 릴리프 격자이다. 일부 실시예들에서, 격자들 중 적어도 하나는 얇은(또는 라만-나스(Raman-Nath)) 홀로그램이다.

일부 실시예들에서, 격자들은 리버스 모드 HPDLC 재료에 기록된다. 리버스 모드 HPDLC는, 어떠한 전기장도 인가되지 않을 때 격자가 패시브이며 전기장이 존재할 때 회절된다는 점에서 종래의 HPDLC와 상이하다. 리버스 모드 HPDLC는, "홀로그래픽 폴리머 분산형 액정 재료들 및 디바이스들에 대한 개선들"이란 명칭의 PCT 출원번호 PCT/GB2012/000680에 개시된 레시피들 및 프로세스들 중 임의의 것에 기초으로 할 수 있다. 격자는 상기 재료 계들 중 임의의 것에 기록될 수 있지만 패시브(비-스위칭) 모드에서 사용될 수 있다. 제조 프로세스는 스위칭에 사용되는 것과 동일할 수 있지만 전극 코팅 스테이지는 생략된다. LC 폴리머 재료 계들은 그들의 높은 지수 변조에 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자들은 HPDLC에 기록되나 스위칭되지는 않는다.

다수의 실시예들에서, 본 발명의 원리들에 따른 도파관 디스플레이는, 윈도우, 예를 들어, 도로 차량 애플리케이션들을 위한 윈드스크린-통합 HUD 내에 통합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 윈도우-통합 디스플레이는, "윈도우들에서의 통합을 위한 광 도파관 디스플레이들"이란 명칭의 미국 가특허 출원번호 62/125,064 및 "환경적으로 격리된 도파관 디스플레이"란 명칭의 미국 특허 출원번호 15/543,016에 개시된 실시예들 및 교시들에 기초할 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 발명의 원리들에 따른 도파관 디스플레이는, "광 파이프를 포함하는 도파관 디바이스"라는 명칭의 미국 특허 출원번호 15/558,409에 개시된 실시예들에 기초하여 한 방향으로 빔 확장을 제공하기 위한 광 파이프를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 "컴팩트한 에지 조명 회절 디스플레이"라는 명칭의 미국 특허 제9,075,184호에 개시된 레이저 스캐너에 기초할 수 있다. 본 발명의 실시예들은, AR 및 VR용 HMD들, 헬멧 장착 디스플레이들, 프로젝션 디스플레이들, 헤드 업 디스플레이(HUD)들, 헤드 다운 디스플레이(HDD)들, 무안경 디스플레이(autostereoscopic display)들 및 다른 3D 디스플레이들을 비롯한 광범위한 디스플레이들에 사용될 수 있다. 본 개시내용의 실시예들 및 교시들 중 일부는, 예를 들어, 눈 추적기들, 지문 스캐너들 및 LIDAR 계들과 같은 도파관 센서들에 그리고 조명기들 및 백라이트들에 적용될 수 있다.

도면들은 예시적이며 치수들이 과장되었음이 강조되어야 한다. 예를 들어, SBG 층들의 두께들은 크게 과장되었다. 상술된 실시예들 중 임의의 것에 기초한 광학 디바이스들은, "홀로그래픽 폴리머 분산형 액정 재료들 및 디바이스들에 대한 개선들"이란 명칭의 PCT 출원번호 PCT/GB2012/000680에 개시된 프로세스들 및 재료들을 사용하는 플라스틱 기판들을 사용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이중 확장 도파관 디스플레이는 만곡될 수 있다.

설명은 본 발명의 특정 실시예들을 제공했지만, 기술에 관한 추가의 정보는, 전체적으로 인용에 의해 본원에 포함되는 하기의 특허 출원들에서 발견될 수 있다: "컴팩트한 에지 조명 회절 디스플레이"란 명칭의 미국 특허 제9,075,184호, "광학 디스플레이들"이란 명칭의 미국 특허 제8,233,204호, "투명 디스플레이를 제공하기 위한 방법 및 장치"라는 명칭의 미국 출원번호 US2006/043938, "웨어러블 데이터 디스플레이"란 명칭의 PCT 출원번호 GB2012/000677, "컴팩트한 에지 조명 아이글라스 디스플레이"란 명칭의 미국 특허 출원번호 13/317,468, "홀로그래픽 광각 디스플레이"란 명칭의 미국 특허 출원번호 13/869,866, 및 "투명 도파관 디스플레이"란 명칭의 미국 특허 출원번호 13/844,456, "도파관 격자 디바이스"란 명칭의 미국 특허 출원번호 14/620,969, "전기적으로 포커스 조정가능한 렌즈"란 명칭의 미국 특허 출원번호 15/553,120, "광 파이프를 포함하는 도파관 디바이스"란 명칭의 미국 특허 출원번호 15/558,409, "홀로그래픽 도파관 디스플레이들을 위한 입력 이미지들을 생성하기 위한 방법 및 장치"란 명칭의 미국 특허 출원번호 15/512,500, "구배 지수 광학기를 사용하는 근안 디스플레이"란 명칭의 미국 가특허 출원번호 62/123,282, "구배 지수 광학기를 사용하는 도파관 디스플레이"란 명칭의 미국 가특허 출원번호 62/124,550, "윈도우들에의 통합을 위한 광학 도파관 디스플레이들"이란 명칭의 미국 가특허 출원번호 62/125,064, "환경적으로 격리된 도파관 디스플레이"란 명칭의 미국 특허 출원번호 15/543,016, "홀로그래픽 도파관 광 필드 디스플레이들"이란 명칭의 미국 가특허 출원번호 62/125,089, "레이저 조명 디바이스"란 명칭의 미국 특허 제8,224,133호, "레이저 조명 디바이스"란 명칭의 미국 특허 제8,565,560호, "홀로그래픽 조명계"란 명칭의 미국 특허 제6,115,152호, "스위칭가능 브래그 격자들을 사용하는 콘택 이미지 센서"란 명칭의 PCT 출원번호 PCT/GB2013/000005, "홀로그래픽 폴리머 분산형 액정 재료들 및 디바이스들에 대한 개선들"이란 명칭의 PCT 출원번호 PCT/GB2012/000680, "홀로그래픽 도파관 광 추적기"란 명칭의 PCT 출원번호 PCT/GB2014/000197, "눈 추적을 위한 장치"란 명칭의 PCT/GB2013/000210, "눈 추적을 위한 장치"란 명칭의 PCT 출원번호 GB2013/000210, "홀로그래픽 도파관 광학 추적기"란 명칭의 PCT/GB2015/000274, "도파관 결합기를 사용하여 헤드 업 디스플레이에서 수직 시야를 연장시키는 계 및 방법"이란 명칭의 미국 특허 제8,903,207호, "컴팩트한 웨어러블 디스플레이"란 명칭의 미국 특허 제8,639,072호, "컴팩트한 홀로그래픽 에지 조명 아이글라스 디스플레이"란 명칭의 미국 특허 제8,885,112호, "편광 선택적 홀로그래픽 도파관 디바이스를 제공하기 위한 방법 및 장치"란 명칭의 미국 특허 출원번호 16/086,578, "도파관 디스플레이 장치"란 명칭의 미국 가특허 출원번호 62/493,578, "도파관 디스플레이"란 명칭의 PCT 출원번호 PCT/GB2016000181, "도파관 디바이스로부터의 출력을 균질화시키기 위한 장치"란 명칭의 미국 특허 출원번호 62/497,781, "균일한 출력 조명을 갖는 도파관 디바이스"란 명칭의 미국 특허 출원번호 62/499,423.

균등론(DOCTRINE OF EQUIVALENTS)

다양한 예시적인 실시예들에 도시된 계들 및 방법들의 구성 및 배열은 단지 예시일 뿐이다. 본 개시내용에서 단지 몇 가지 실시예들만이 상세하게 설명되었지만, 다수의 수정들이 가능하다(예를 들어, 다양한 엘리먼트들의 크기들, 치수들, 구조들, 형상들 및 비율들, 파라미터들의 값들, 장착 배열들, 재료들, 컬러들, 배향들의 사용 등에서의 변동들이 가능함). 예를 들어, 엘리먼트들의 포지션은 반전될 수 있거나 이와 달리 변경될 수 있으며, 개별 엘리먼트들 또는 포지션들의 특성 또는 수는 변경되거나 바뀔수 있다. 따라서, 그러한 모든 수정들은, 본 개시내용의 범위내에 포함되는 것으로 의도된다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시예들에 따라 변하거나 재배열될 수 있다. 본 개시내용의 범위를 벗어남 없이, 예시적인 실시예들의 설계, 작동 조건들 및 배열에서 다른 대체들, 수정들, 변경들 및 생략들이 이루어질 수 있다.

Claims

도파관으로서,
적어도 하나의 도파관 기판;
적어도 하나의 복굴절 격자;
적어도 하나의 복굴절 제어 층;
광을 출력하기 위한 광원;
상기 광을 상기 도파관 내의 내부 전반사(total internal reflection) 경로들로 향하게 하기 위한 입력 커플러; 및
상기 도파관으로부터 광을 추출하기 위한 출력 커플러
를 포함하며, 상기 복굴절 격자 및 상기 복굴절 제어 층과 상기 광의 상호작용은 상기 도파관으로부터 추출된 광의 미리규정된 특징을 제공하는, 도파관
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층과 상기 광의 상호작용은: 각도 대역폭(angular bandwidth) 또는 스펙트럼 대역폭(spectral bandwidth) 변동, 편광 회전, 복굴절 변동, 빔 투과 또는 편광 회전 중 적어도 하나에 대한 각도 또는 스펙트럼 의존성, 및 상기 도파관 기판의 평면에서 적어도 하나의 방향에서의 광 투과 변동 중 적어도 하나를 제공하는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 미리규정된 특징은 상기 도파관에 걸쳐 변하는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 미리규정된 특징은 상기 도파관 내에서 광 전파의 적어도 하나의 방향을 따라 상기 복굴절 격자 및 상기 복굴절 제어 층과 광의 상호작용의 누적 효과(cumulative effect)로부터 발생하는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 미리규정된 특징은 상기 광의 각도 범위(angular range)에 걸친 균일한 조명 및 균일한 편광 중 적어도 하나를 포함하는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 상기 도파관 내에서 광 전파의 적어도 하나의 방향을 따라 상기 복굴절 격자에 의해 유발되는 편광 회전에 대한 보상을 제공하는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 액정 및 폴리머 재료 계(system)인, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 방향성 자외선 복사(directional ultraviolet radiation)를 사용하여 정렬되는 액정 및 폴리머 계인, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은, 전자기 복사, 전기장 또는 자기장, 기계적 힘들, 화학 반응, 및 열 노출 중 적어도 하나에 의해 정렬되는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 액정 및 폴리머 계에 형성되는 복굴절 격자에서 LC 디렉터(director)들의 정렬에 영향을 미치는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 이방성 굴절률(anisotropic refractive index)을 갖는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 상기 도파관의 적어도 하나의 내부 또는 외부 광학 표면 상에 형성되는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 상기 도파관의 적어도 하나의 광학 표면 상에 배치된 굴절률 층들의 적어도 하나의 스택을 포함하고, 상기 굴절률 층들의 스택에서 적어도 하나의 층은 등방성 굴절률(isotropic refractive index)을 갖고, 상기 굴절률 층들의 스택에서 적어도 하나의 층은 이방성 굴절률을 갖는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 고 반사 층(high reflection layer)을 제공하는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 굴절력(optical power)을 제공하는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 상기 도파관에 환경 격리 층을 제공하는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 구배 지수 구조(gradient index structure)를 갖는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은, 상기 도파관 기판의 평면에서 광학 재료 층을 신장시켜 상기 광학 재료 층의 굴절률을 공간적으로 변화시킴으로써 형성되는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 광원은 각도 공간(angular space)에 시준된 광을 제공하는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 입력 커플러 및 상기 출력 커플러 중 적어도 하나는 복굴절 격자를 포함하는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 복굴절 격자는 적어도 하나의 폴리머 및 적어도 하나의 액정을 포함하는 재료 계에 기록되는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 복굴절 격자는, 제1 방향으로의 빔 확장, 제2 방향으로의 빔 확장 및 상기 도파관으로부터의 광 추출의 기능들 중 적어도 하나를 제공하기 위한 그리고 상기 광원으로부터의 광을 상기 도파관 내의 내부 전반사 경로에 커플링하기 위한 적어도 하나의 복굴절 격자를 포함하는, 도파관.
제1항에 있어서,
상기 광원은 레이저를 포함하고, 상기 복굴절 격자에서 LC 디렉터들의 정렬은 조명 밴딩(illumination banding)을 보상하도록 공간적으로 변하는, 도파관.
도파관을 제조하는 방법으로서,
제1 투명 기판을 제공하는 단계;
격자 기록 재료 층을 증착하는 단계;
상기 격자 기록 재료 층을 노출시켜 격자 층을 형성하는 단계;
복굴절 제어 층을 형성하는 단계; 및
제2 투명 기판을 적용하는 단계
를 포함하는, 도파관을 제조하는 방법.
제24항에 있어서,
상기 격자 기록 재료 층은 상기 기판 상에 증착되고;
상기 복굴절 제어 층은 상기 격자 층 상에 형성되고; 그리고
상기 제2 투명 기판은 상기 복굴절 제어 층 위에 적용되는, 도파관을 제조하는 방법.
제24항에 있어서,
상기 격자 기록 재료 층은 상기 기판 상에 증착되고;
상기 제2 투명 기판은 상기 격자 층 위에 적용되고; 그리고
상기 복굴절 제어 층은 상기 제2 투명 기판 상에 형성되는, 도파관을 제조하는 방법.
제24항에 있어서,
상기 복굴절 제어 층은 상기 제1 투명 기판 상에 형성되고;
상기 격자 기록 재료 층은 상기 복굴절 제어 층 상에 증착되고; 그리고
상기 제2 투명 기판은 상기 격자 층 위에 적용되는, 도파관을 제조하는 방법.
제24항에 있어서,
액정 폴리머 재료의 층을 증착하는 단계; 및
상기 액정 폴리머 재료를 방향성 UV 광을 사용하여 정렬하는 단계
를 더 포함하며, 상기 격자 기록 재료 층은 상기 기판 상에 증착되고, 그리고 상기 제2 투명 기판은 정렬된 액정 폴리머 층 위에 적용되는, 도파관을 제조하는 방법.
제28항에 있어서,
상기 액정 폴리머 재료의 층은 상기 격자 층 또는 상기 제2 투명 기판 중 하나 상에 증착되는, 도파관을 제조하는 방법.
제28항에 있어서,
상기 액정 폴리머 재료의 층은 상기 제1 투명 기판 상에 증착되고;
상기 격자 기록 재료 층은 정렬된 액정 폴리머 재료 상에 증착되고; 그리고
상기 제2 투명 기판은 상기 격자 층 위에 적용되는, 도파관을 제조하는 방법.